Schneller, kleiner, kompakter – die Computerchip-Entwicklung stößt bald an ihre physikalische Grenze. Die Suche nach leistungsfähigen Alternativen gehört weltweit zu den großen Herausforderungen der Werkstoffwissenschaft. Forschende des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat haben einen Schutzfilm entwickelt, der Quanten-Halbleiterschichten von der Dicke nur eines Atoms effektiv vor Umwelteinflüssen schützt – ohne deren revolutionäre Quanteneigenschaften zu verändern. Damit rückt die Anwendung dieser empfindlichen Atomlagen für ultradünne elektronische Bauelemente in realistische Reichweite. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

2D-Quantenmaterial statt Silizium

© Joerg Bandmann

Moderne Computerchips werden immer schneller und leistungsfähiger. Das funktioniert, weil ihre grundlegenden Bausteine, die Transistoren, immer kleiner und kompakter werden. In ein paar Jahren werden sie nur noch wenige Atome groß sein. Dann allerdings stößt die Miniaturisierung der bisher genutzten Silizium-Technologie an ihre physikalische Grenze. Deshalb ist die Suche nach alternativen Materialien mit ganz neuen Eigenschaften die Basis für künftiges technologisches Wachstum.

Wissenschaftler:innen des Exzellenzclusters ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter der Universitäten Würzburg und Dresden stießen schon 2021 auf topologische Quantenmaterialien wie Indenen, die enormes Potenzial für ultraschnelle und verbrauchsarme Elektronik besitzen. Die extrem dünnen Quanten-Halbleiter bestehen nur aus einer einzigen Lage von Atomen – bei Indenen sind dies Indium-Atome – und leiten als topologische Isolatoren Strom an ihrem Rand praktisch ungebremst.

„Eine solche einzelne Atomlage muss in komplexen Vakuumapparaturen und auf einem bestimmten Trägermaterial hergestellt werden. Um daraus elektronische Bauelemente zu produzieren, müsste das zweidimensionale Material aus dem Vakuum herausgeholt werden. Schon der kleinste Kontakt zum Beispiel mit Luft lässt die Schicht aber oxidieren. Das zerstört ihre revolutionäre Eigenschaft und macht sie unbrauchbar“, erklärt der Experimentalphysiker Prof. Ralph Claessen, Würzburger Sprecher des Exzellenzclusters ct.qmat.

Dieses Problem konnte das Würzburger ct.qmat-Team jetzt lösen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Schutzschicht gesucht …

„Zwei Jahre haben wir nach einer Möglichkeit geforscht, die empfindliche Indenen-Lage mit einer Schutzschicht vor Umgebungseinflüssen abzuschirmen. Die Schwierigkeit war, dass die Schutzschicht selbst  nicht mit der Indenen-Lage reagieren durfte“, sagt Cedric Schmitt, am Projekt beteiligter Doktorand von Claessen. Denn wenn zwei unterschiedliche Atome wie die der Schutzschicht und die des zu schützenden Halbleiters in Kontakt kommen, dann findet auf atomarer Ebene eine chemische Reaktion statt, die das Material verändert. Das ist bei konventionellen Silizium-Chips unproblematisch, weil Silizium aus vielen Atomlagen besteht und davon immer genug unberührte, funktionsfähige übrigbleiben.

„Ein Halbleitermaterial aus einer einzelnen Atomlage wie Indenen würde durch einen Schutzfilm zugleich zerstört werden. Ein scheinbar unlösbares Problem, das unseren Forschergeist geweckt hat“, so Claessen. Die Suche nach einer brauchbaren Schutzschicht begann mit van-der-Waals-Materialien, benannt nach dem niederländischen Physiker Johannes Diderik van der Waals (1837 – 1923). „Die zweidimensionalen van-der-Waals-Atomlagen haben die tolle Eigenschaft, dass ihre Atome untereinander zwar stark gebunden sind, auf dem Trägermaterial aber nur schwach aufliegen“, erläutert Claessen. „Ein ähnliches Prinzip wird beim Schreiben mit Bleistift genutzt, dessen Mine aus Graphit besteht – eine Abwandlung von Kohlenstoff, dessen Atome honigwabenförmige Lagen bilden. Die einzelnen Graphen-Lagen lassen sich sehr leicht ablösen. So etwas brauchten wir auch!“

… und gefunden!

In einer aufwändigen Ultrahochvakuum-Apparatur hat das Würzburger Forschungsteam schließlich Siliziumkarbid (SiC) als Trägermaterial für Indenen erhitzt – und untersucht, unter welchen Bedingungen daraus Graphen entsteht. „Siliziumkarbid setzt sich aus Silizium und Kohlenstoff zusammen. Beim Erhitzen lösen sich die Kohlenstoffatome aus der Oberfläche und bilden Graphen“, beleuchtet Doktorand Schmitt das Geschehen im Labor. „Anschließend haben wir Indium-Atome aufgedampft, die zwischen die schützende Graphen- und die tragende Karbid-Schicht getaucht sind. So ist die Schutzschicht für unser zweidimensionales Quantenmaterial Indenen entstanden.“

Regenschirm aufgespannt

Dem Würzburger ct.qmat-Team um Claessen ist es damit weltweit zum ersten Mal gelungen, eine funktionsfähige Schutzschicht für ein zweidimensionales Quanten-Halbleitermaterial experimentell herzustellen, ohne dessen außergewöhnliche Quanteneigenschaften zu zerstören. Nachdem sie den Herstellungsprozess analysiert hatten, untersuchten die Wissenschaftler:innen genau, ob die Schicht tatsächlich vor Oxidation und Korrosion schützt. „Es klappt! Wir können die Probe sogar Wasser aussetzen und es passiert ihr nichts“, freut sich Claessen. „Die Graphen-Schicht ist wie ein Regenschirm für unser Indenen.“

Auf dem Weg zur Atomlagen-Elektronik

Die Forschungsergebnisse eröffnen spannende Anwendungsperspektiven für die extrem empfindlichen Halbleiter-Atomlagen. Die Herstellung ultradünner elektronischer Bauelemente erfordert deren Verarbeitung an der Luft oder in anderen chemischen Umgebungen. Mit dem jetzt gefundenen Schutz wurde ein Prinzip gefunden, das dies ermöglicht. Die Würzburger Wissenschaftler:innen konzentrieren sich nun darauf, weitere van-der-Waals-Materialien zu entdecken, die diese Schutzfunktion ebenfalls erfüllen. Sie haben schon einige Kandidaten im Blick. Denn auch wenn Graphen atomare Monolagen effizient vor Umgebungseinflüssen bewahrt, ist es selbst elektrisch leitend und kann daher Kurzschlüsse verursachen.

Die Würzburger Wissenschaftler:innen arbeiten daran, diese Herausforderungen zu meistern und die Voraussetzungen für eine künftige Atomlagen-Elektronik zu schaffen.

Publikation
Achieving environmental stability in an atomically thin quantum spin Hall insulator via graphene intercalation device
Cedric Schmitt, Jonas Erhardt, Philipp Eck, Matthias Schmitt, Kyungchan Lee, Philipp Keßler, Tim Wagner, Merit Spring, Bing Liu, Stefan Enzner, Martin Kamp, Vedran Jovic, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Timur Kim, Cephise Cacho, Tien-Lin Lee, Giorgio Sangiovanni, Simon Moser, Ralph Claessen
Nat Commun 15, 1486 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45816-9.

Exzellenzcluster ct.qmat
Das Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien) wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg und der Technischen Universität (TU) Dresden getragen. Mehr als 300 Wissenschaftler:innen aus mehr als 30 Ländern und von vier Kontinenten erforschen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert – als einziges bundeslandübergreifendes Cluster in Deutschland.

Die Technische Universität Dresden (TUD) zählt als Exzellenzuniversität zu den leistungsstärksten Forschungseinrichtungen Deutschlands. Sie ist mit rund 8.300 Mitarbeitenden sowie rund 29.000 Studierenden in 17 Fakultäten eine der größten technisch ausgerichteten Universitäten. Im Jahr 1828 gegründet, ist sie heute eine global bezogene, regional verankerte Spitzenuniversität, die innovative Beiträge zur Lösung weltweiter Herausforderungen leisten will. In Forschung und Lehre vereint sie Ingenieur- und Naturwissenschaften mit den Geistes- und Sozialwissenschaften und der Medizin. Diese bundesweit herausragende Vielfalt an Fächern ermöglicht der Universität, die Interdisziplinarität zu fördern und Wissenschaft in die Gesellschaft zu tragen.

Kontakt:
Prof. Ralph Claessen
Würzburger Sprecher des Exzellenzclusters ct.qmat
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Tel: +49 931 318 5732