Die Entwicklung von 2D-Materialien, insbesondere Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs), hat die moderne Materialwissenschaft revolutioniert, indem sie neue Perspektiven für die Gestaltung elektronischer, optoelektronischer und speichertechnologischer Geräte eröffnet. Besonders hervorzuheben sind heterogene Strukturen, die durch die Kombination unterschiedlicher 2D-Materialien entstehen. Solche Heterostrukturen bieten die Möglichkeit, die Eigenschaften des Bandgaps und der elektrischen Leitfähigkeit gezielt zu modulieren, was weitreichende Anwendungen in Bereichen wie Photovoltaik, optoelektronische Geräte und Energiespe

Wie beeinflussen zweidimensionale Halbleitermaterialien die Leistung von Elektronik- und Optoelektronikgeräten?

Die Entwicklung und Erforschung von zweidimensionalen (2D) Halbleitermaterialien hat zu bedeutenden Fortschritten in der Elektronik und Optoelektronik geführt. Insbesondere die außergewöhnlichen elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Materialien eröffnen neue Möglichkeiten für die Gestaltung von hochleistungsfähigen Bauelementen. Ein zentrales Beispiel hierfür sind ultradünne Feldeffekttransistoren (FETs) auf Basis von SnS₂, deren Mobilität durch die Reduktion der Schichtdicke auf 5 nm erheblich gesteigert werden konnte. Durch den Einsatz einer flüssigen Oberflächengate-Struktur mit deionisiertem Wasser als Dielektrikum erreichten Huang et al. eine Mobilität von bis zu 230 cm² V⁻¹ s⁻¹. Die Übertragungskennlinien dieser Geräte zeigen eine nahezu ideale Subthreshold-Steigung von etwa 80 mV/Dekade, was auf das Potenzial für Schaltverhältnisse im Bereich von 10⁶ hinweist. Im Vergleich dazu wiesen herkömmliche Bottom-Gate-SnS₂-FETs lediglich eine durchschnittliche Mobilität von 5 cm² V⁻¹ s⁻¹ auf.

Neben der Elektronik sind 2D-Halbleiter auch für optoelektronische Anwendungen von großem Interesse. Aufgrund der geringeren Dimensionsordnung weisen sie eine stärkere dielektrische Abschirmung und somit höhere Exzitonenbindungsenergien als ihre dreidimensionalen Pendants auf. Dies führt zu einer effektiveren Unterdrückung nichtstrahlender Rekombinationsprozesse und damit zu einer verbesserten Lumineszenz. Besonders vielversprechend sind hier 2D-Perowskite, deren Bandlücke im sichtbaren Bereich variabel eingestellt werden kann und die aufgrund ihres hohen Photolumineszenz-Quantenausbeute besonders für Leuchtdioden (LEDs) geeignet sind. Wang et al. konnten durch Variation des Anteils von Phenylbutylammoniumbromid (PBABr) und CsPbX₃ (X = Cl, Br) die Emissionsfarbe der Quasi-2D-Perowskite gezielt steuern. Eine erhöhte Konzentration an langen organischen Ketten wirkt zwar hinderlich für den Ladungstransport, erlaubt aber eine präzise Kontrolle der Bandlücke durch Anpassung der Schichtzahl. So verschob sich das Exzitonen-Emissionsmaximum bei Zugabe von 30 % Chlor von 496 nm auf 472 nm, was einer Blauverschiebung entspricht. Elektrolumineszenz wurde bei 2D-Perowskit-LEDs in einem Wellenlängenbereich von 473 bis 490 nm mit variierendem Chloranteil nachgewiesen.

Die Schichtstruktur und die daraus resultierende hohe Oberfläche machen 2D-Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs) zudem zu hervorragenden Kandidaten für Energiespeicheranwendungen. Die Mehrlagigkeit erhöht die Anzahl der verfügbaren Ionenlagerräume und gewährleistet gleichzeitig strukturelle Stabilität während der Lade- und Entladezyklen. Besonders MoS₂ hebt sich durch seine vielfältigen Oxidationszustände (von +2 bis +6) und seine Fähigkeit zur Ausbildung signifikanter Doppelschichtkapazitäten hervor. Die Herstellung von vertikal ausgerichteten MoS₂-Nanoschichten mit zahlreichen Van-der-Waals-Lücken schafft zusätzliche reaktive Stellen für Elektrolytionen und steigert so die Kapazität. Solche elektrodynamischen Eigenschaften führen zu einer arealen Kapazität von bis zu 12,5 mF/cm².

Im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien könnten 2D-Materialien wie MoS₂ und WeS₂ herkömmliche Anodenmaterialien aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazität (MoS₂ ca. 670 mAh/g) und ihrer Fähigkeit zur Ioneneinlagerung ohne Volumenänderung ersetzen. Dies ist entscheidend, um Degradation und Verlust der aktiven Materialien bei Ladezyklen zu verhindern und somit die Lebensdauer der Batterien zu verbessern.

Zudem erfährt die Forschung an breitbandigen 2D-Halbleitern eine wachsende Aufmerksamkeit, da diese Materialien aufgrund ihrer einzigartigen quantenmechanischen Eigenschaften neuartige Anwendungen in den Bereichen Quantencomputing, Photodetektion, Gassensorik und Piezoelektronik ermöglichen. Der subnanometrische Aufbau verstärkt Effekte wie den Quanten-Hall-Effekt oder das Valleytronik-Phänomen, was neue Wege für elektronische und spintronische Geräte eröffnet. So zeigte beispielsweise ein ZnIn₂S₄-Halbleiter eine hervorragende Luftstabilität und ein hohes ON/OFF-Verhältnis bei extrem niedrigem Dunkelstrom, was ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für künftige quantenbasierte Anwendungen macht.

Die Kontrolle und Modifikation der elektronischen sowie magnetischen Eigenschaften von 2D-Materialien durch chemische Funktionalisierung, wie bei wasserstoffbehandelten AlN-Nanoschichten, demonstriert die Vielseitigkeit dieser Systeme. Solche maßgeschneiderten Materialien können zwischen metallischem und halbleitendem Verhalten wechseln, was für die Entwicklung von Spintronikkomponenten und anderen innovativen Bauelementen von großer Bedeutung ist.

Dennoch sind die Herstellung und Skalierbarkeit solcher 2D-Materialien noch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Die kontrollierte Synthese großer, defektfreier Flächen bei Erhalt der intrinsischen Materialeigenschaften ist technisch anspruchsvoll. Gleichzeitig sind viele dieser Materialien empfindlich gegenüber Umweltbedingungen wie Feuchtigkeit und Sauerstoff, was ihre Stabilität und Leistungsfähigkeit in realen Anwendungen beeinträchtigen kann. Fortschritte in der Produktionstechnik und Schutzmaßnahmen gegen Umweltdegradation sind daher entscheidend für die kommerzielle Nutzung.

Für den Leser ist wichtig zu verstehen, dass die faszinierenden physikalischen Eigenschaften von 2D-Halbleitern untrennbar mit ihrer spezifischen atomaren Struktur und Oberflächenbeschaffenheit verbunden sind. Die Wechselwirkungen an Grenzflächen, die Stabilität unter Betriebsbedingungen und die Integration in komplexe Gerätedesigns bestimmen maßgeblich die praktische Relevanz dieser Materialien. Ebenso spielt die präzise Kontrolle der Materialzusammensetzung und Schichtdicke eine entscheidende Rolle, um gewünschte optoelektronische oder elektrochemische Eigenschaften zu erzielen. Damit eröffnet die Forschung an 2D-Halbleitern eine vielseitige Plattform, deren Potenzial jedoch erst durch interdisziplinäre Ansätze von Chemie, Physik, Materialwissenschaft und Ingenieurwesen vollständig ausgeschöpft werden kann.

Wie die Eigenschaften von Exziton- und Trion-Zuständen in 2D-Materialien die Zukunft der Quantenoptotechnologie prägen

Exzitonen und Trionen sind grundlegende Elemente in der Forschung und Entwicklung von 2D-Materialien, insbesondere in Bezug auf ihre Anwendung in der nichtlinearen Quantenoptoelektronik. Ein bemerkenswerter Fortschritt in diesem Bereich ist die Entdeckung der Bindungsenergie von etwa 17 meV, die nahezu der theoretisch vorhergesagten Bindungsenergie von Biexzitonen entspricht. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Schritt, um das Verständnis der Biexzitonen zu vertiefen und deren Eigenschaften genauer zu entschlüsseln. Zu diesem Zweck nutzen Forscher effiziente elektrostatische Gitter, um von Loch-Doping zu Elektron-Doping überzugehen. Dies ermöglicht die Untersuchung der Biexziton-Konfiguration, die sowohl einen hellen als auch einen dunklen Exziton umfasst. Dabei spielen die Polarisation im Valleymodus und das invertierte Verhalten der Photolumineszenz-Intensität eine zentrale Rolle. Diese Fortschritte im Verständnis der Biexzitonen ebnen den Weg für die Entwicklung von nichtlinearen Quantenoptotechnologien, die auf Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDCs) basieren.

Die Eigenschaften von Van-der-Waals (vdWs) Heterostrukturen, die aus übereinander gestapelten, atomar dünnen 2D-Materialien bestehen, werden nicht nur durch die einzelnen Monolagen bestimmt, sondern auch durch die Wechselwirkungen zwischen den Schichten. Ein bemerkenswertes Phänomen in solchen Heterostrukturen ist die Bildung von Interlayer-Exzitonen, die mit schnellen Ladungstransfers zwischen den Schichten und lang anhaltender Spin- und Valleypolarisation der Träger verbunden sind. Insbesondere in den vdWs-Heterostrukturen aus semiconducting TMDC-Schichten hat die Forschung zu außergewöhnlichen Eigenschaften geführt, die das Verhalten von Exzitonen und deren Wechselwirkungen mit Licht betreffen. Der Einsatz von Moiré-Supergittern – periodischen Mustern, die durch das Stapeln zweier monolagiger 2D-Materialien mit Gitterfehlanpassungen oder Rotationsfehlstellungen entstehen – hat es ermöglicht, die elektronische Bandstruktur und optische Eigenschaften dieser Heterostrukturen gezielt zu manipulieren.

Die Entdeckung von Interlayer-Exzitonen in den Photolumineszenz-Spektren war ein bedeutender Meilenstein in der Erforschung von 2D-Materialien. So wurde 2015 in MoSe2/WSe2-Monolagen-Heterostrukturen die Bildung langlebiger Interlayer-Exzitonen nachgewiesen, wobei ein zusätzliches Resonanzsignal unterhalb der intralayer Exzitonen sichtbar wurde. Diese Interlayer-Exzitonen zeichnen sich durch eine signifikant erhöhte Photolumineszenz-Intensität aus, was auf eine hohe Besetzung dieser Zustände hinweist. Ebenso wurde die Bindungsenergie von Interlayer-Exzitonen in WSe2/WS2-Heterobilayern gemessen, wobei neuartige 1s–2p-Resonanzen unter Verwendung von phasenfixierten Mid-Infrared-Pulsen beobachtet wurden. Diese Erkenntnisse tragen maßgeblich dazu bei, das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Schichten in vdWs-Heterostrukturen zu erweitern und liefern wertvolle Einblicke in die Auswirkungen von Moiré-Potentialen auf die Lichtemission und Absorption in TMDC-Heterobilayern.

Die Untersuchung von Moiré-Exzitonen hat sich als äußerst fruchtbar erwiesen, da diese Exzitonen mit Interlayer-Exzitonen in Verbindung stehen könnten. Obwohl der Ladungstransfer zwischen vertikal gestapelten Schichten in vdWs-Heterostrukturen empirisch als langsam erwartet wird, zeigen transiente Absorptionsmessungen, dass die Ladungstrennung in diesen Strukturen auf sub-pikosekunden Zeitskalen erfolgt. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Manipulation von optischen und elektrischen Eigenschaften in diesen Materialien und könnte zu der Entwicklung innovativer optoelektronischer Bauelemente führen.

Die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien, wie die Wechselwirkung von Exzitonen mit Licht bestimmter Polarisationen, die durch die lokale Symmetrie der in den Heterobilayern periodisch angeordneten Atome bestimmt wird, sind entscheidend für das Verständnis der optischen Eigenschaften von 2D-Materialien. Emissionslinien von Exzitonen dienen als Fingerabdrücke des magnetischen Moments und der Valleyeigenschaften der Elektronen-Hole-Paare, aus denen sie bestehen. Diese Entdeckungen bieten einen ersten Blick auf das Potenzial, optische Eigenschaften von 2D-Materialien zu manipulieren, indem man einfach den Drehwinkel der Schichten verändert.

Die Forschung hat jedoch gezeigt, dass die Eigenschaften dieser Materialien nicht nur durch die Wechselwirkungen zwischen den Schichten beeinflusst werden, sondern auch durch die Wechselwirkung zwischen den Materialien und ihrer Umgebung. Diese Erkenntnisse haben zu einer verstärkten Untersuchung der Rolle von Dielektrika in der Ladebewegung und den Auswirkungen von verschiedenen äußeren Einflüssen geführt, die die elektrischen und optischen Eigenschaften der Materialien modifizieren können.

In der Praxis wird das Verhalten von TMDC-basierten Transistoren weiterhin durch die Qualität der Monolagen und deren dielektrischen Eigenschaften bestimmt. Fortschritte in der Herstellung von Monolagen mit verbesserter Qualität und in der Entwicklung von präziseren Messmethoden haben dazu beigetragen, den Übergang von variabler Bereichshopping-Transportmechanismen zu bandähnlichem Transport bei steigender Trägerdichte in Monolayer-MoS2 zu beobachten. Diese Entwicklungen eröffnen neue Wege für die Nutzung von 2D-Materialien in elektronischen Bauelementen, die nicht nur in der Quantenoptotechnologie, sondern auch in klassischen Anwendungen von Bedeutung sind.

Endtext

Wie kann neuromorphes Computing die Grenzen herkömmlicher Architekturen überwinden?

Die rapide Zunahme von Rechen- und Datenerfassungsvolumina, bedingt durch Fortschritte in den Bereichen Künstliche Intelligenz, Big Data, Machine Learning und Internet der Dinge, stellt konventionelle Computersysteme vor erhebliche Herausforderungen. Zentraler Engpass ist dabei die physische Trennung von Verarbeitungseinheiten und Speichern, wie sie in klassischen von-Neumann-Architekturen vorherrscht. Diese Trennung limitiert die Geschwindigkeit der Lese- und Schreiboperationen und führt zu einem übermäßigen Energieverbrauch, was angesichts wachsender Datenmengen zunehmend problematisch wird.

Neuromorphes Computing positioniert sich als vielversprechende Lösung, indem es das menschliche Gehirn als Vorbild nimmt. Das Gehirn verarbeitet Informationen simultan und mit herausragender Energieeffizienz – sein Verbrauch liegt unter 20 Watt trotz hoher Leistungsfähigkeit. Im Gegensatz zu klassischen Systemen integriert neuromorphes Computing Speicher und Verarbeitung eng miteinander, was den sogenannten von-Neumann-Flaschenhals umgeht. Synaptische Bauelemente übernehmen hier eine Schlüsselrolle: Sie fungieren als nichtflüchtige Speicher mit präziser Steuerung der Leitfähigkeit und lassen sich direkt in künstliche neuronale Netzwerke einbinden. Dies ermöglicht sogenannte „In-Memory“-Rechenprozesse, die Rechenleistung und Speicherfunktionalität verschmelzen.

Die Modulation der Leitfähigkeit wird durch die Steuerung der Ferroelektrizität in sogenannten Ferroelektrischen Feldeffekttransistoren (Fe-FETs) erreicht. Durch Veränderung der Polarisationsdomänen mittels elektrischer Impulse entstehen verschiedene Mehrfachzustände, die als synaptische Zustände interpretiert werden können. Dies ahmt biologische Synapsen nach, bei denen die Stärke der synaptischen Verbindung – die sogenannte synaptische Plastizität – durch elektrische Signale reguliert wird. Geräte wie das 2D HZO/WS2 Fe-FET konnten bereits erfolgreich die Plastizität biologischer Synapsen imitieren, indem sie Langzeitänderungen in der Leitfähigkeit durch nichtflüchtige Polarisation demonstrierten. Auch Kombinationen aus P(VDF-TrFE) und MoS2 zeigten sehr hohe ON/OFF-Verhältnisse mit über 1000 steuerbaren Zuständen, was eine präzise Steuerung und Speicherung von Information erlaubt.

Ferner ermöglichen zweidimensionale ferroelektrische Halbleiter wie α-In2Se3 durch ihre gekoppelte Out-of-Plane- und In-Plane-Polarisation die Realisierung von Multi-Terminal-Synapsen, was zusätzliche Flexibilität bei der Gestaltung neuromorpher Systeme eröffnet.

Neben dem Bereich neuromorpher Systeme sind 2D-Ferroelektrika auch für Spintronik und Valleytronik von großer Bedeutung. Die nicht-zentrosymmetrische Struktur dieser Materialien führt zu einem intrinsischen elektrischen Feld, das den Rashba-Effekt moduliert – eine Spin-Bahn-Kopplung, die elektrisches Manipulieren von Spinpolarisationen ermöglicht. Diese Funktionalität kann in zukünftigen Spin-basierten Bauelementen für energiesparende Speicher- und Logiksysteme genutzt werden. Die Möglichkeit, die Spinpolarisation durch umschaltbare Ferroelektrizität zu steuern, erweitert die Perspektiven für hochintegrierte, multifunktionale Bauelemente.

Im Bereich Valleytronik eröffnen Materialien mit mehreren elektronischen Tälern (Valleys) eine zusätzliche Freiheitsdimension. Die Brechung der Inversionssymmetrie in monolagigen 2H-MoS2 führt zu vallyspezifischer optischer Selektion und dem Valley-Hall-Effekt. Externe Felder können die Zeitumkehrsymmetrie brechen, was zur Erzeugung von Valley-Polarisation führt. Die Entdeckung spontaner Valley-Polarisation in buckled Monolayern von Gruppen-IV- und III-V-Binärmaterialien zeigt, dass interne magnetische Wechselwirkungen diesen Effekt stabilisieren können. Solche Effekte könnten die Grundlage für neue optoelektronische Bauelemente bilden, wie elektrisch einstellbare Polarisatoren.

Die Erforschung zweidimensionaler Ferroelektrika steht trotz vielversprechender theoretischer Vorhersagen und experimenteller Fortschritte noch am Anfang. Die Herausforderung besteht darin, spontane, stabile Ferroelektrizität in ultradünnen Schichten zuverlässig zu realisieren und zu kontrollieren. Verschiedene experimentelle Methoden und theoretische Modelle sind unerlässlich, um neue Materialien zu entdecken und deren physikalische Eigenschaften zu verstehen. Die Fähigkeit, ferroelektrische Zustände in 2D-Materialien gezielt zu manipulieren, ist entscheidend für die Entwicklung zukunftsfähiger Technologien mit minimalem Energieverbrauch und hoher Leistungsfähigkeit.

Es ist wesentlich, die fundamentalen physikalischen Mechanismen hinter der Kopplung von Ferroelektrizität mit anderen Quanteneigenschaften wie Spin und Valley-Graden der Freiheit zu verstehen. Ebenso muss die langfristige Stabilität und Skalierbarkeit der Materialien im Fokus stehen, um praktische Anwendungen in der Nanoelektronik, Spintronik und neuromorphen Systemen zu ermöglichen. Die Weiterentwicklung der 2D-Ferroelektrika wird nicht nur neue Bauelemente hervorbringen, sondern auch das Verständnis komplexer, vielschichtiger Wechselwirkungen in ultradünnen Materialien vertiefen, was für die nächsten Generationen der Informationstechnologie von großer Bedeutung sein wird.

Wie man durch Schlüsselaktivitäten mehr Wert und Hebelwirkung erzielt
Die Rolle des Schmeichlers und die Lektionen aus der Geschichte
Wie reagierte Trump auf seinen Freispruch und was folgte daraus?