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Silicen ist ein Material mit ausgezeichneten elektronischen Eigenschaften. Bisher galt es aber
als extrem instabil. An der TU Wien fand man einen Trick, um es haltbar zu machen.
Wien (tu) - Die Entdeckung zweidimensionaler Materialien, die nur aus einer einzigen Schicht von Atomen
bestehen, hat in der Elektrotechnik einen gewaltigen Forschungsboom ausgelöst. Das bekannteste Material dieser
Art ist wohl Graphen, das aus einer einzigen Schicht bienenwabenartig angeordneter Kohlenstoffatome besteht.
Als große Schwester von Graphen könnte man Silicen bezeichnen: Es hat genau dieselbe sechseckige Struktur
wie Graphen, besteht aber aus Siliziumatomen. Dieses neuartige Silizium-Material hat fantastische elektronische
Eigenschaften, ist aber leider extrem instabil. Einem Elektrotechnik-Forschungsteam am Institut für Festkörperelektronik
der TU Wien ist es nun allerdings erstmals gelungen, Silicen zu stabilisieren und haltbar zu machen – mit Hilfe
von Graphenschichten, die auf das Silicen aufgesetzt werden. Diese Technik wurde im Fachjournal „Applied Materials
and Interfaces“ präsentiert, die Erstautorin Viktoria Ritter wurde in Cambridge bei der internationalen Konferenz
INFOS 2019 dafür ausgezeichnet.
Silicen mag keinen Sauerstoff
„Silicen ist ein äußerst vielversprechendes Material“, sagt Viktoria Ritter. „Es hat extrem bewegliche
Ladungsträger und seine elektronischen Eigenschaften lassen sich steuern, indem man beispielsweise von außen
ein elektrisches Feld anlegt.“ Damit ist es im Prinzip möglich, aus Silicen winzige Transistoren herzustellen.
Allerdings hat das Material gegenüber Graphen einen entscheidenden Nachteil: Während Graphen bei normalem
Druck und normaler Temperatur problemlos stabil bleibt, wird die Silicen-Schicht in kurzer Zeit zerstört,
wenn sie mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Daher kann Silicen nur im Ultrahochvakuum hergestellt werden.
In den Reinraumlabors der TU Wien am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) gelang es dem Forschungsteam
nun allerdings, Silicen haltbar zu machen. Man versiegelte es mit mehreren Graphen-Schichten. „Das ist technisch
keine leichte Aufgabe – denn würde man die Vakuumkammer kurz öffnen, um das Graphen hineinzubringen,
würde das die Silicenschicht bereits zerstören“, erklärt Jakob Genser, ebenfalls Mitglied des Forschungsteams.
Die einzige Chance war daher, die nötigen Graphen-Lagen von Anfang an in die Vakuumkammer einzubringen, dann
die Luft vollständig aus der Kammer zu entfernen, eine Silicenschicht auf einer Unterlage aus Silber wachsen
zu lassen und sie dann direkt im Ultrahochvakuum mit dem Graphen zu bedecken.
„Wir an der TU Wien sind weltweit die Ersten, denen dieser Trick gelungen ist“, sagt Viktoria Ritter. „Danach kann
man das Graphen-bedeckte Silicen problemlos herausnehmen und bei normalen Umgebungsbedingungen untersuchen.“ Das
Team konnte mit Laser-Messmethoden nachweisen, dass das Silicen, geschützt durch die Graphenschichten, auch
außerhalb des Vakuums mehrere Tage lang stabil ist. „Das Graphen beeinflusst die Struktur von Silicen nicht,
es dient einfach nur als Barriere, die Sauerstoff aus der Luft vom Silicen fernhält“, erklärt Daniele
Nazzari, der auch im Festkörperelektronik-Team forscht. Außerdem zeigt der Erfolg dieser Methode, dass
Silicen und Graphen miteinander kompatibel sind – eine wichtige Erkenntnis für die Herstellung neuer ultradünner
Schichtstrukturen.
Ausgezeichnete Arbeit
Von der IEEE („Institute of Electrical and Electronics Engineers“, ein weltumspannender Elektrotechnik-Berufsverband)
wurde Viktoria Ritter nun bei der INFOS-Konferenz in Cambridge mit dem Best Student Paper Award ausgezeichnet.
„Das ist natürlich ein weiterer Ansporn für unsere Forschung“, sagt Viktoria Ritter, „wir sind gerade
dabei, einige weitere wichtige Fragen in diesem Zusammenhang zu beantworten und hoffen, dass unsere Silicen-Arbeit
weiterhin so erfolgreich ist.“
Originalpublikation
V. Ritter et al., Silicene Passivation by Few-Layer Graphen, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 12745-12751,
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.8b20751
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