Neue Methode ermöglicht maßgeschneider­te organische 2D-Materialien

Ein internationales Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, mit der sich zweidimensionale organische Materialien gezielt zu neuartigen Schichtsystemen kombinieren lassen. Die in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichte Forschungsarbeit eröffnet neue Perspektiven für Quantenelektronik, Sensorik und neuartige elektronische Bauelemente.

Zweidimensionale Materialien bestehen aus extrem dünnen Schichten, die teilweise nur wenige Atome oder Moleküle dick sind. Werden unterschiedliche solcher Schichten miteinander kombiniert, können an ihren Grenzflächen neue elektronische und optische Eigenschaften entstehen. Diese sogenannten Van-der-Waals-Heterostrukturen bieten daher interessante Möglichkeiten für die Entwicklung neuer elektronischer und optoelektronischer Bauelemente.

Während sich solche Schichtsysteme mit anorganischen 2D-Materialien bereits gezielt herstellen lassen, war die Übertragung des Prinzips auf organische Materialien bislang schwierig. Denn organische Schichten werden untereinander nur durch vergleichsweise schwache Wechselwirkungen zusammengehalten. Dadurch war es bisher kaum möglich, die einzelnen Schichten präzise auszurichten und ihre Grenzflächen gezielt zu gestalten.

Ein Forschungsteam um Prof. Thomas Heine und Prof. Stefan Mannsfeld von der TU Dresden sowie Prof. Xinliang Feng vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle hat nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Lösung für dieses Problem entwickelt. In dieser Synthesemethode findet die Polymerisation für jede einzelne Lage der organischen 2D-Kristalle an der Wasseroberfläche statt. So können verschiedene Lagen sequentiell durchgeführt werden. Intermolekulare Wechselwirkungen kontrollieren die relative Ausrichtung der Polymere parallel zur Wasseroberfläche.

Auf Grundlage von fünf unterschiedlichen 2D-Polymeren konnten die Forschenden zehn verschiedene Heterostrukturen herstellen. Heterostrukturen sind möglich bis zu Unterschieden in der Gitterkonstante von 18 Prozent. Diese sogenannte Gitterfehlanpassung ist entscheidend für die Eigenschaften der Grenzfläche. Passen die Gitter gut zusammen, entstehen besonders klar definierte Grenzflächen. Bei größeren Abweichungen können sich dagegen charakteristische Muster ausbilden, sogenannte Moiré-Muster, oder die Materialien verformen sich, um Spannungen abzubauen.

Die präzise Kontrolle dieser Grenzflächen wirkt sich unmittelbar auf die elektronischen Eigenschaften der Materialien aus. Experimente und theoretische Untersuchungen zeigen, dass sich an den Grenzflächen elektrische Ladungen gezielt trennen und elektrische Felder erzeugen lassen. Dadurch können die Forschenden beeinflussen, wie Elektronen durch das Schichtsystem transportiert werden.

Besonders deutlich zeigt sich dies beim Stromtransport durch das Interface der Heterostruktur: Bei perfekt aufeinander liegenden Gittern ist er 10 Millionen mal größer als bei den nicht passfähigen Gittern.

„Wir demonstrieren hier zum ersten Mal, dass man einzelnen Lagen organischer 2D Kristalle, d.h. atomar dünne, periodisch aufgebaute Polymere, gezielt stapeln kann. Bei idealer Stapelung koppeln diese Polymere chemisch und elektronisch und erlauben damit die gezielte Entwicklung neuartiger Materialien, beispielsweise optisch aktive Materialien für die Photokatalyse oder miniaturisierte Solarzellen. Da die perfekt gestapelten Materialien porös und damit durchlässig für Ionen und Moleküle sind, könnten sie sich auch für selektive Ionenaustauschmembrane eignen“, erklärt Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden.

Die Forschungsarbeiten wurden durch den ERC Synergy Grant „2DPolyMembrane“ sowie durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Exzellenzclusters REC², des Sonderforschungsbereichs SFB 1415 und des Graduiertenkollegs GRK 2861 gefördert.

Originalpublikation:

Prasoon, A., Nguyen, N. N., Hambsch, M., Singhvi, P., Terres, S., Xiao, Z., Goyal, N., Qi, H., Mücke, D., Auras, F., Wang, Z., Chung, S., Položij, M., Wang, H. I., Cho, K., Kaiser, U., Chernikov, A., Bonn, M., Mannsfeld, S. C. B., Heine, T. & Feng, X. Organic two-dimensional van der Waals heterostructures. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-11074-6

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Heine
Technische Universität Dresden
Professur für Theoretische Chemie
Tel.: +49 351 463-37637
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