Wie werden 2D-Halbleitermaterialien hergestellt und warum sind sie so wichtig?

Halbleiter bilden die Grundlage zahlreicher moderner Technologien, von der Elektronik bis zur Optoelektronik und Sensorik. In den letzten Jahren haben zweidimensionale (2D) Halbleitermaterialien – Materialien, die nur wenige Atomlagen dünn sind – besonderes Interesse auf sich gezogen, da sie völlig neue elektronische und optoelektronische Eigenschaften bieten. Diese atomar dünnen Strukturen unterscheiden sich grundlegend von ihren voluminösen Gegenstücken und eröffnen eine Fülle von Möglichkeiten für die Miniaturisierung und Leistungssteigerung moderner Geräte.

Die besondere Faszination an 2D-Halbleitern liegt vor allem in ihrer außergewöhnlichen Anpassbarkeit. Durch gezielte Modifikation lassen sich wichtige Eigenschaften wie der Bandabstand (Bandgap) präzise einstellen. Dies gelingt durch Variationen der Schichtdicke, das Erzeugen von Heterostrukturen, mechanische Verformungen (Strain Engineering), chemische Dotierung, Legierungsbildung, Interkalation, die Nutzung unterschiedlicher Substrate oder das Anlegen äußerer elektrischer Felder. Diese Vielzahl von Methoden ermöglicht es, die elektronischen und optischen Eigenschaften der Materialien maßgeschneidert an die Anforderungen neuartiger Anwendungen anzupassen.

Die Synthese solcher 2D-Halbleitermaterialien ist ein komplexes Feld, in dem sich verschiedene Verfahren etabliert haben. Ein häufig genutztes Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD). Dabei werden Vorläufermoleküle kontrolliert auf einem Substrat abgeschieden und anschließend thermisch behandelt, um dünne Schichten mit der gewünschten Kristallstruktur zu erzeugen. Eine andere verbreitete Technik ist die mechanische Exfoliation, bei der Schichten mechanisch von einem Bulk-Material abgelöst werden. Weiterhin kommen Lösungen-basierte Methoden zum Einsatz, wie die Flüssigphasen-Exfoliation oder die hydrothermale Synthese, welche größere Mengen an 2D-Materialien liefern können.

Diese Syntheseverfahren lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien einteilen: Top-down und Bottom-up. Beim Top-down-Ansatz wird Material aus größeren Festkörpern oder Schichten gezielt entfernt oder exfoliiert, um nanoskalige dünne Schichten zu erhalten. Dieser Weg ist besonders geeignet für Materialien, die natürlich in Schichten vorkommen, ermöglicht gute Kontrolle über Größe und Dicke, kann jedoch Defekte einführen und ist oft weniger skalierbar. Im Gegensatz dazu basiert der Bottom-up-Ansatz auf dem Aufbau von Material aus atomaren oder molekularen Bausteinen durch chemische Reaktionen oder Selbstassemblierung. Dieses Vorgehen erlaubt die Herstellung maßgeschneiderter Strukturen mit hoher Reinheit und Präzision, stellt aber auch Herausforderungen hinsichtlich Kontrolle und Reproduzierbarkeit.

Die Beherrschung dieser Synthesemethoden ist essenziell, um die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von 2D-Halbleitern auszuschöpfen. Insbesondere in Bereichen wie ultraschnelle Photodetektoren, energiesparende Elektronik, Sensoren mit hoher Empfindlichkeit oder neuartige optoelektronische Bauelemente eröffnen 2D-Materialien neue technologische Perspektiven. Die Verbindung von physikalischem Verständnis und chemischer Kontrolle bei der Herstellung bildet die Grundlage für diese Fortschritte.

Neben den reinen Herstellungsprozessen ist das Verständnis der physikalischen Eigenschaften und der damit verbundenen Herausforderungen entscheidend. Zum Beispiel wirkt sich die Anisotropie des Kristallwachstums auf die Qualität und Form der Schichten aus. Auch die Festigkeit chemischer Bindungen im Kristall erschwert das Erreichen exakt definierter Schichtdicken und lateralem Wachstum. Das Erkennen dieser Limitationen hilft dabei, Synthesemethoden gezielt weiterzuentwickeln und Materialien mit den gewünschten Eigenschaften zuverlässig zu produzieren.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Skalierbarkeit und Integration der 2D-Halbleiter in bestehende Technologien. Die Fähigkeit, große Flächen mit gleichbleibender Qualität zu erzeugen, ist für industrielle Anwendungen unerlässlich. Gleichzeitig müssen Kompatibilitäten mit Substraten und anderen Bauteilen gewährleistet werden, um funktionelle Bauelemente zu realisieren.

Die Erschließung der Möglichkeiten von 2D-Halbleitern erfordert somit nicht nur die Verbesserung der Syntheseverfahren, sondern auch eine interdisziplinäre Herangehensweise, die Physik, Chemie, Materialwissenschaften und Ingenieurwesen vereint. Nur so können die einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien gezielt genutzt und für die nächste Generation von Technologien nutzbar gemacht werden.

Wie beeinflussen Grenzflächen und Geometrie von 2D-Halbleitermaterialien ihre Leistungsfähigkeit in Energie- und Elektronikanwendungen?

Die thermische Leitfähigkeit von 2D-Halbleitermaterialien ermöglicht die Entwicklung thermoelektrischer Geräte, welche Abwärme in elektrische Energie umwandeln. Insbesondere die Kombination von 2D-Halbleitern mit anderen Materialien wird intensiv erforscht, um ihr Potenzial im Wärmemanagement, beispielsweise als Wärmeableiter, auszuschöpfen. In elektronischen und optoelektronischen Geräten dienen diese Materialien als effiziente Wärmetransportwege, welche die Wärmeableitung signifikant verbessern können.

Im Bereich der Energiespeicherung spielen die Grenzflächen zwischen 2D-Halbleitern und Elektrodmaterialien eine wesentliche Rolle bei der Verbesserung der Speicherfähigkeit. Durch die Optimierung der Ladungsübertragung und die Nutzung der hohen spezifischen Oberfläche kann die Kapazität von Batterien und Superkondensatoren erheblich gesteigert werden. 2D-Materialien zeichnen sich durch eine Kombination aus großer Oberfläche und exzellenten Ladungstransporteigenschaften aus, was zu einer verbesserten Gesamtleistung dieser Energiespeichergeräte beiträgt. Die Anpassbarkeit der Grenzflächen ermöglicht es, die Effizienz und Funktionalität durch gezielte Strukturierung zu optimieren und eröffnet zahlreiche Innovationsmöglichkeiten in verschiedensten Technologien.

Die atomar dünnen 2D-Schichten verfügen über einzigartige geometrische Merkmale wie eine besonders hohe Oberfläche pro Volumeneinheit, was zu Vorteilen wie niedrigen Selbstentladungsraten, verbesserter Ionen-Diffusion, flexiblen Designs und optimiertem thermischem Management führt. Die Konstruktion von Heterostrukturen aus verschiedenen 2D-Schichten erlaubt eine synergetische Verbesserung von Ladungstrennung und Elektronentransport, was insbesondere für die Entwicklung flexibler und tragbarer Energiespeicher von Bedeutung ist.

Zur Charakterisierung und gezielten Beeinflussung der Grenzflächen und Geometrie von 2D-Halbleiterschichten stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ermöglicht die kontrollierte Herstellung von Schichten mit präziser Dicke und Kristallorientierung. Molekularstrahlepitaxie erlaubt sogar die atomgenaue Konstruktion von Heterostrukturen und bietet feine Kontrolle über die Stapelfolge und Schichtdicke. Durch mechanische Dehnung, beispielsweise durch Biegen oder Strecken, lässt sich in 2D-Schichten eine kontrollierte Spannung erzeugen, die die elektronische Bandstruktur modifiziert und somit maßgeschneiderte Eigenschaften hervorruft. Ebenso können gezielte Dotierung und Oberflächenfunktionalisierung die chemische Reaktivität und elektronische Eigenschaften der Materialien optimieren.

Die Kombination verschiedener 2D-Materialien in Heterostrukturen mit komplementären Eigenschaften eröffnet vielfältige Möglichkeiten, elektrische und optische Merkmale gezielt einzustellen. Rechnergestützte Simulationen und Modellierungen tragen maßgeblich zum Verständnis der physikalischen Grundlagen bei und lenken experimentelle Ansätze, um Schnittstellen und Geometrien optimal zu gestalten. Dies fördert die Entwicklung innovativer Materialien und Geräte für zahlreiche Anwendungsbereiche.

Die elektrische, optische und mechanische Anpassung von 2D-Halbleiterschichten hängt somit entscheidend von deren Grenzflächen- und Geometrieeigenschaften ab. Besonders Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs) wie MoS₂ oder WS₂ zeigen eine schichtabhängige Bandlücke, deren Breite mit abnehmender Schichtanzahl zunimmt. Diese Variation ermöglicht die Konstruktion von Halbleitermaterialien mit präzisen elektronischen Eigenschaften, die für Transistoren, Photodetektoren und andere elektronische sowie optoelektronische Anwendungen ideal sind.

Die reduzierte Dimensionalität der 2D-Materialien bewirkt Quantenkonfinierungseffekte, wodurch Elektronen in zwei Dimensionen eingeschränkt sind, was zu diskreten Energieniveaus und erhöhter Beweglichkeit führt. Diese Eigenschaften sind vorteilhaft für Hochgeschwindigkeits-Elektronik und Quantencomputing. Aufgrund ihrer atomaren Dicke besitzen 2D-Materialien ein extrem hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis, was sie für Anwendungen wie Sensoren und Katalyse prädestiniert. Ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften – hohe Zugfestigkeit und Flexibilität – eröffnen Anwendungsmöglichkeiten in der flexiblen Elektronik und tragbaren Geräten, die leichte, aber robuste Komponenten benötigen.

Für Sensoren und Detektoren sind 2D-Halbleiter dank ihrer hohen Oberflächensensitivität hervorragend geeignet. Veränderungen in der Umwelt oder Adsorption von Molekülen führen zu messbaren Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften, was sie ideal für Gassensoren, Biosensoren und Umweltüberwachungssysteme macht.

Zusätzlich ist die Auswahl der Materialien und deren Stapelfolge in Heterostrukturen entscheidend, um gewünschte elektrische und optische Eigenschaften zu erzielen. So kann man gezielt Eigenschaften wie Ladungstrennung, Bandstruktur und Leitfähigkeit beeinflussen, was die Vielseitigkeit dieser Materialien weiter erhöht.

Wichtig ist, dass die Optimierung von Grenzflächen und Geometrie nicht isoliert betrachtet werden darf. Vielmehr stehen diese Eigenschaften in einem dynamischen Wechselspiel mit anderen Materialparametern und den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Die Realisierung des vollen Potenzials von 2D-Halbleitern erfordert deshalb ein tiefes Verständnis ihrer physikalischen Grundlagen sowie eine präzise Kontrolle auf atomarer Ebene, was experimentell und theoretisch anspruchsvoll ist. Fortschritte in Synthese-, Charakterisierungs- und Simulationstechniken sind hierbei unerlässlich, um maßgeschneiderte 2D-Materialien für die Elektronik, Photonik und Energiespeicherung zu entwickeln.

Wie wird die Polarisation in ferroelektrischen Materialien theoretisch beschrieben und berechnet?

Das elektrische Feld E lässt sich über die Ableitung der freien Energie G bezüglich der Polarisation P berechnen, also E = dG/dP. Die Beziehung zwischen Polarisation P und angelegtem elektrischen Feld E bildet typischerweise eine S-Kurve, was eine charakteristische Eigenschaft ferroelektrischer Materialien darstellt. Um P ≈ 0 weist die S-Kurve eine negative Kapazität auf, die durch die Steigung dP/dE definiert wird. Die elektrische Feldstärke an der Grenze zwischen den Regionen positiver und negativer Kapazität wird als kritisches Feld Ec bezeichnet. Dieses Ec ist für Speicheranwendungen von zentraler Bedeutung: Ein geringeres Ec bedeutet ein kleineres Memory Window, während ein höheres Ec einen größeren Speicherbereich ermöglicht, allerdings auch eine stärkere elektrische Feldstärke zum Umschalten der Zustände verlangt.

Die Umwandlung der Tiefe des Doppelmuldenpotentials ΔEG in eine Temperatur zur Abschätzung der para-zu-ferroelektrischen Phasenübergangstemperatur (Curie-Temperatur TC) führt meist zu Unterschätzungen. Eine präzisere Berechnung ergibt sich, wenn man Wechselwirkungen zwischen den Dipolen in die freie Energie einbezieht. Diese Wechselwirkung, charakterisiert durch den Koeffizienten D, beschreibt die Polarisationunterschiede benachbarter Einheitszellen und ist hauptverantwortlich für die Stabilität der ferroelektrischen Phase gegenüber thermischen Störungen. Entsprechend korreliert ein großer Wert von D mit einem erhöhten Curie-Punkt, der näherungsweise über die Beziehung kB TC ≈ D × P_s² bestimmt wird, wobei kB die Boltzmann-Konstante ist.

Der ferroelektrische Phasenübergang ist struktureller Natur und wird durch das Auftreten spontaner Polarisation im Kristall charakterisiert. Er hängt eng mit sogenannten soften Phononmoden zusammen, deren Frequenz anomal abnimmt, wenn sich das Material dem Phasenübergangspunkt nähert. Strukturen mit weicheren Phononmoden zeigen eine größere vibrationale Entropie, wodurch ihre freie Energie oberhalb der kritischen Temperatur geringer ist, was den Übergang zwischen Phasen antreibt. Experimentell werden diese soften Moden über Raman-Spektroskopie, Kernspinresonanz oder Neutronenstreuung nachgewiesen; rechnerisch liefern ab initio-Methoden, basierend auf Dichtefunktionaltheorie und Phonondispersionen, vergleichbare Einblicke.

Die Theorie der vibrationalen freien Energie in ferroelektrischen Materialien fokussiert sich vorwiegend auf optische Phononen, da sich positive und negative Ionen entgegengesetzt verschieben und so lokale elektrische Felder erzeugen. Wenn das durch den optischen Phononmodus erzeugte Feld stärker wird als die elastische Rückstellkraft — ein Phänomen, das als Polarisation-Katastrophe bezeichnet wird — erfolgt ein Phasenübergang von der para- zur ferroelektrischen Phase. Besonders relevant ist hierbei der transversale optische (TO) Phononmodus, dessen Frequenz am Übergangspunkt im Brillouin-Zonenraum auf Null absinkt. Dieses „Einfrieren“ oder Kondensieren des Phonons spiegelt sich in einer starken Zunahme der statischen Dielektrizitätskonstanten wider, wie es durch die Lyddane-Sachs-Teller-Relation beschrieben wird. Die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten, proportional zu 1/(T−TC), bestätigt experimentell diese Phonon-getriebene Mechanik des Phasenübergangs.

Für die theoretische Modellierung ferroelektrischer Materialien mittels des Landau-Ginzburg-Devonshire-Modells ist die Bestimmung der freien Energie als Funktion der Polarisation essenziell. Diese wird aus erstprinzipienbasierten Dichtefunktionaltheorie-(DFT)-Berechnungen gewonnen. Die Herausforderung dabei liegt in der eindeutigen Definition der Polarisation im Kristall, da die elektronische Ladungsdichte ρ(r) kontinuierlich ist und die einfache Integration über eine Einheitszelle vom Zellvolumen abhängt und somit nicht eindeutig ist. Die moderne Theorie der Polarisation nutzt daher die Berry-Phasen-Theorie, wobei die Elektronendichte über Wannier-Funktionen lokalisiert wird. Diese Wannier-Zentren repräsentieren den „mittleren Ort“ der Elektronen, an dem die Ladung angenommen wird. Die Gesamtpolarisation ergibt sich dann als Summe der Beiträge der Ionen (als Punktladungen) und der Elektronen an den Wannier-Zentren.

Die spontane Polarisation berechnet sich aus der Differenz der Gesamtpolarisation zwischen der nicht-polaren Anfangsstruktur und der polaren Endstruktur, wobei sowohl die Positionen der Ionen als auch die Wellenfunktionen berücksichtigt werden können. Born-Effektivladungen, als zweite Rang-Tensoren definiert, quantifizieren die Änderung der Polarisation infolge einer Ionverschiebung oder den auf ein Ion wirkenden Kraftvektor in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld. In ferroelektrischen Materialien sind diese Born-Effektivladungen anomal hoch, was die starke Kopplung zwischen elektrischen Feldern und Ionenbewegungen unterstreicht. Sie sind wichtige Größen in Gitterschwingungsberechnungen und liefern tiefere Einblicke in die Elektromechanik der Materialien.

Die piezoelektrischen Koeffizienten, dritte Rang-Tensoren, beschreiben die Wechselwirkung zwischen mechanischer Deformation (Verzerrung) und elektrischer Polarisation. Mittels ab initio-Methoden können diese Koeffizienten berechnet werden, indem man makroskopische Verzerrungen anlegt und die resultierenden Polarisationänderungen bestimmt. Solche Untersuchungen sind für die praktische Nutzung von ferroelektrischen Materialien in Sensoren und Aktoren von Bedeutung.

Für das Verständnis ferroelektrischer Materialien ist es entscheidend, die vielschichtige Wechselwirkung zwischen elektronischen Zuständen, Gitterdynamik und thermodynamischer Stabilität zu erfassen. Nur durch das Zusammenspiel von theoretischen Modellen, ersten Prinzipienrechnungen und experimentellen Methoden können die komplexen Phasenübergänge und die dynamischen Eigenschaften adäquat beschrieben werden. Die moderne Beschreibung der Polarisation über Berry-Phasen stellt eine fundamentale theoretische Grundlage dar, die sowohl die Abgrenzung zwischen verschiedenen Polarisationsebenen als auch die Berechnung der spontanen Polarisation ermöglicht. Ebenso erfordern praktische Anwendungen ein tiefes Verständnis der Abhängigkeit kritischer Feldstärken und des thermischen Verhaltens, um die Speicherfenster und Umschaltenergien in ferroelektrischen Bauelementen gezielt zu optimieren.

Wie beeinflusst der Kontakt und die Dotierung die Leistung von 2D-Halbleitermaterialien in elektronischen Bauteilen?

In den Bereichen der Halbleiterphysik und Elektronik sind die Begriffe elektrischer Kontakt und Dotierung grundlegende Konzepte. Besonders faszinierend wird diese Thematik im Zusammenhang mit den einzigartigen elektrischen Eigenschaften von 2D-SCM (2D-Halbleitermaterialien) wie Graphen, TMDCs (Transition Metal Dichalcogenides) und anderen atomar dünnen Materialien. Um leistungsfähige elektronische und optoelektronische Bauteile auf Basis dieser Materialien zu entwickeln, sind effektive elektrische Verbindungen und eine präzise Kontrolle des Dotierungsniveaus unerlässlich. Der elektrische Kontakt spielt eine entscheidende Rolle für die Gesamtleistung des Bauteils, da eine effiziente Injektion und Extraktion von Ladungsträgern niedrige Widerstandswerte und ohmsche Kontakte erfordert.

Graphen ist ein vielversprechender Kandidat, um rein 2D-Schaltkreise zu realisieren, da es sich aufgrund seiner atomar dünnen Struktur besonders gut für den Kontakt mit 2D-SCM eignet. Doch das Produzieren stabiler, niederohmiger Verbindungen gestaltet sich schwierig, da Probleme wie die Metall-Diffusion in das Material auftreten. Diese Diffusion kann zu Instabilitäten führen und die Eigenschaften des 2D-Materials beeinträchtigen. Forscher arbeiten an der Entwicklung von Kontaktmaterialien und Abscheidungsverfahren, die die elektrischen Verbindungen stabil halten, ohne die inhärenten Merkmale der 2D-Materialien zu schädigen. Zwei vielversprechende Strategien bestehen darin, Materialien zu verwenden, die stark an den 2D-Stoff binden, oder Barrierschichten einzusetzen, um die Metall-Diffusion zu verhindern.

Die Dotierung spielt ebenfalls eine wesentliche Rolle für die Anpassung der elektrischen Leitfähigkeit und der Trägerkonzentration von 2D-SCM. Wegen der ultradünnen Struktur und des hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses von 2D-Materialien beeinflusst die Dotierung wesentlich die elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften. Bei einer zu hohen Dotierung können jedoch unerwünschte Effekte wie reduzierte Mobilität und eine ungleichmäßige Verteilung der Ladungsträger auftreten, was die Leistung des Materials beeinträchtigen kann. Daher ist es entscheidend, den Dotierungsprozess präzise zu steuern, um die strukturellen und elektrischen Eigenschaften des Materials zu bewahren. Forscher experimentieren regelmäßig mit verschiedenen Dotierstoffen und Dotierungstechniken, um eine genaue Kontrolle über die resultierenden elektrischen Eigenschaften zu erlangen.

Ein zentrales Problem in der Praxis der 2D-SCM ist der Kontaktwiderstand. Dieser resultiert aus mehreren Faktoren, einschließlich der elektrischen Eigenschaften des 2D-Materials, der Zusammensetzung des verwendeten Metalls und der Effizienz der Schnittstelle zwischen den beiden Materialien. Es ist möglich, durch die Wahl des geeigneten Metalls für den Kontakt einen niedrigen Kontaktwiderstand zu erreichen. Die atomar dünne Struktur von Materialien wie Graphen oder TMDCs macht die Herstellung niederohmiger elektrischer Verbindungen jedoch zu einer großen Herausforderung. Hoher Kontaktwiderstand kann die Gesamtleistung von Bauteilen, wie etwa Transistoren oder Sensoren, erheblich beeinträchtigen, da er die Effizienz der Ladungsträgerinjektion und -extraktion verlangsamt und den Energieverbrauch erhöht.

Ein weiteres vielversprechendes Forschungsgebiet zur Verbesserung der elektrischen Verbindungen in 2D-SCM ist die Untersuchung von Phasenübergangskontakten. Hierbei wird versucht, den Kontaktwiderstand durch verschiedene Techniken wie die präzise Abscheidung von ultrasauberen Kontaktmetallen, Dotierung oder die Einführung von Isolierschichten zwischen Metall und Halbleiter zu reduzieren. In der Forschung hat sich gezeigt, dass diese Methoden signifikante Verbesserungen des Kontaktwiderstandes erzielen können, jedoch bleibt die Optimierung für Monoschicht-2D-Materialien (1L) eine herausfordernde Aufgabe. Phasenübergangsmaterialien, die in verschiedenen kristallinen Strukturen auftreten und einzigartige Eigenschaften besitzen, gewinnen in dieser Hinsicht zunehmend an Bedeutung.

Ein weiteres innovatives Konzept ist der sogenannte Grid-Voltage-Controlled-Contact. Dieser Ansatz befasst sich mit der Verbesserung der elektrischen Verbindungen zwischen einem Gitterelektroden und 2D-SCM durch die Kontrolle der Gitterspannung. Hierbei wird intensiv untersucht, wie äußere und innere Faktoren die Verbindung beeinflussen, um eine noch effektivere Injektion und Extraktion von Ladungsträgern zu erreichen. Ein zentrales Hindernis bei der Skalierung von 2D-Feldeffekttransistoren (FETs) ist der Widerstand an den Kontaktpunkten, der die Leistungsfähigkeit der Geräte erheblich einschränken kann. In situ Transmissionselektronenmikroskopie wird eingesetzt, um die Kontaktmerkmale zu analysieren und die Verbindungen gezielt zu verbessern.

Ein besonders spannendes Konzept stellt der Tunnelkontakt dar, bei dem der Ladungstransport zwischen Elektrode und 2D-Material durch den Quantentunnel-Effekt ermöglicht wird. Bei diesem Mechanismus können Elektronen eine energetisch ungünstige Barriere überwinden, indem sie durch sie hindurch „tunneln“, was den Kontaktwiderstand signifikant reduziert und eine effektive Injektion und Extraktion von Ladungsträgern ermöglicht. Dies ist besonders vorteilhaft bei ultradünnen Materialien wie 2D-SCM, wo die herkömmlichen Metall-Halbleiter-Kontakte aufgrund der hohen Kontaktwiderstände oft ineffizient sind. Der Tunnelkontakt nutzt die Überlappung der Wellenfunktionen der Energiezustände des 2D-Materials und der Elektrode, sodass Elektronen den energetischen Hindernisbarrieren der klassischen Physik entkommen können.

2D-SCM zeigen großes Potenzial für den Einsatz in Logik- und Speicherschaltungen, aufgrund ihrer außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften und ihrer Vielseitigkeit. Doch auch hier ist es wichtig, die Herausforderungen der Kontaktwiderstände, der gleichmäßigen Dotierung und der Umweltstabilität zu berücksichtigen. Um das volle Potenzial dieser Materialien auszuschöpfen, wird aktuell intensiv daran gearbeitet, diese Hindernisse zu überwinden. Besonders im Bereich der Logik-ICs wird das Design und die Herstellung von Transistoren auf Basis von 2D-SCM zunehmend realistischer, was durch die Fähigkeit dieser Materialien unterstützt wird, extrem kompakte und hochdichte Schaltungen zu ermöglichen. Schon 2012 wurden die ersten integrierten Schaltkreise unter Verwendung von atomar dünnen 2D-Materialien wie Graphen entwickelt.

Die Schaffung funktionaler Logikgatter und komplexer Schaltkreise erfordert die Integration vieler Transistoren, wobei die ultradünne Struktur von 2D-Materialien besonders vorteilhaft ist, da sie eine höhere Packungsdichte und Skalierbarkeit ermöglicht. Sobald die Transistoren hergestellt und integriert sind, müssen Softwaretools verwendet werden, um den Logikschaltkreis zu entwerfen und zu simulieren. Hierbei ist die Berücksichtigung der einzigartigen elektrischen Eigenschaften und der Mobilität der 2D-Materialien von entscheidender Bedeutung, um eine zuverlässige und effektive Leistung zu gewährleisten.