{"id":2230,"date":"2021-08-14T13:42:50","date_gmt":"2021-08-14T11:42:50","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=2230"},"modified":"2021-09-16T16:17:12","modified_gmt":"2021-09-16T14:17:12","slug":"den-richtigen-dreh-raus-neueste-2d-materialien-gleich-dreimal-in-bremen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2021\/08\/14\/den-richtigen-dreh-raus-neueste-2d-materialien-gleich-dreimal-in-bremen\/","title":{"rendered":"Den richtigen Dreh raus – Neueste 2D Materialien, gleich dreimal in Bremen"},"content":{"rendered":"

von Ronja Gronemeyer<\/em><\/p>\n

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Seit\u00a0drei Jahren erm\u00f6glicht ein magischer Winkel neue 2D Materialien, die verbl\u00fcffenderweise etwas mit Seidenkleidern\u00a0und Fotografie verbindet. Lass dich von seltsamen\u00a0Quanteneffekten und Supraleitung faszinieren und erfahre wie an der Universit\u00e4t Bremen gleich dreifach an diesen neusten 2D Materialien geforscht wird.<\/strong><\/p>\n

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2D Materialien sind atomar-d\u00fcnne Schichten eines Kristalls, die als Einzellagen vollkommen andere physikalische Eigenschaften aufweisen, als in einer dreidimensionalen Struktur. Als w\u00e4re dies nicht bemerkenswert genug, entdeckten Forschende 2018 bizarre Effekte, als sie zwei dieser Schichten aufeinander legten und um einen kleinen Winkel von etwa 1.1 Grad verdrehten.<\/p>\n

Die verdrehten Schichten \u00fcberlagerten sich zu einem sogenannten Moir\u00e9muster.<\/p>\n

Moir<\/b>\u00e9<\/b>muster<\/b><\/p>\n

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Abb.1: \u00dcberlagern sich zwei regelm\u00e4\u00dfige Gitter, welche um wenige Grad verdreht sind, k\u00f6nnen neue, sogenannte Moir\u00e9muster entstehen.<\/p><\/div>\n

Moir\u00e9muster entstehen, wenn sich mehrere regelm\u00e4\u00dfige Raster \u00fcberlagern und so neue Strukturen bilden. Neben den beiden Ursprungsmustern beeinflusst auch der Winkel beider Lagen zueinander diesen optischen Effekt.<\/p>\n

Moir\u00e9muster k\u00f6nnen ungewollt beim Drucken, Fernsehen oder Fotografieren auftreten, beispielsweise, wenn sich die Struktur des Ger\u00e4ts, mit einer regelm\u00e4\u00dfigen feinen Struktur des abgebildeten Motivs \u00fcberlagert. Habt ihr schon mal versucht, den Computer-Bildschirm mit dem Smartphone abzufotografieren und euch \u00fcber das verzerrte Bild ge\u00e4rgert? Das ist das \u00a0Ergebnis des Moir\u00e9effekts.<\/p>\n

Der Moir\u00e9effekt kann aber auch gezielt genutzt werden, um durch \u00fcbergeordnete Strukturen die Illusion von Bewegung zu schaffen.\u00a0Wenn zum Beispiel zwei Lagen Stoff mit leicht verschobenem Webmuster \u00fcbereinander gelegt werden, entsteht ein Moir\u00e9stoff.<\/p>\n

Damit das Licht gut hindurch f\u00e4llt, wird meist d\u00fcnner Stoff, wie Seide, verwendet. In Europa sind Moir\u00e9stoffe etwas aus der Mode gekommen und werden eher selten z.B. f\u00fcr Sch\u00e4rpen oder Vorh\u00e4nge verwendet. In anderen Kulturen sind sie noch immer Teil traditioneller Gew\u00e4nder.<\/p>\n

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Abb.2: Echten Moir\u00e9stoff herzustellen ist eine wahre Kunst. Beim Fotografieren regelm\u00e4\u00dfiger Strukturen\u00a0 erzeugt ein starker Moir\u00e9effekt hingegen oftmals ungebeten surreale Kunstwerke: Rechts zum Beispiel \u00fcberlagert sich das Raster der Kamera mit der Gefiederstruktur eines Papageien.<\/p><\/div>\n

B<\/b>ilagen von Graphen – ein dopp<\/b>eltes Wun<\/b>dermaterial<\/b>!<\/b><\/p>\n

Auch zwei verdrehte Lagen Graphen k\u00f6nnen eine Moir\u00e9-\u00dcberlagerungen\u00a0bilden, die kurz TBG (\u201aTwisted-Bilayer of Graphene\u2018)\u00a0ge<\/span>nannt wird\u00a0[An der Uni Bremen forscht hierzu die AG von Prof. Dr. Tim Wehling<\/a><\/span>].<\/span><\/span><\/p>\n

TGBs verhalten sich wie ein v\u00f6llig neues zweidimensionales Gitter, mit g\u00e4nzlich anderen elektronischen Eigenschaften als eine Monolage\u00a0Graphen [siehe auch unseren Artikel \u00fcber Graphen<\/a>].<\/p>\n

Seltsame Quantenph\u00e4nomene<\/b><\/p>\n

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Abb.3: Eine Monolage Graphen zeichnet sich durch ihre stabile, hexagonale Struktur aus.<\/p><\/div>\n

TGBs erlauben Forschenden, seltsame Quanteneffekte\u00a0und damit fundamentale Theorien der Festk\u00f6rperphysik im Experiment zu untersuchen.<\/p>\n

Ein Beispiel eines solchen\u00a0seltsamen Quantenph\u00e4noms sind stark korrelierte Elektronen.\u00a0Elektronen sind quantenmechanische Teilchen, die gleichzeitig Wellen- und Teilcheneigenschaften haben. Dies wird als Welle-Teilchen Dualismus bezeichnet. Wirklich vorstellen k\u00f6nnen wir Menschen uns das nicht, damit rechnen aber schon\u00a0[Quelle<\/a>]!<\/p>\n

F\u00fcr quantenmechanische Teilchen gelten ganz andere Regeln als f\u00fcr klassische Teilchen.<\/p>\n

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Abb.4: F\u00fcr die negativ geladenen Elektronen k\u00f6nnen strenge Abstandsregeln gelten<\/p><\/div>\n

W\u00fcrden wir 2 Tennisb\u00e4lle nebeneinander legen, w\u00e4re dem einen die Anwesenheit des anderen herzlich egal.
\nBetrachten wir jedoch zwei Elektronen, kann die Anwesenheit eines Elektrons ein anderes Elektron stark beeinflussen! Im B\u00e4ndermodell k\u00f6nnen sich Elektronen nur in bestimmten, diskreten, Energiezust\u00e4nden aufhalten\u00a0[siehe auch \u00a0unseren Artikel \u00fcber TMD Materialien<\/a>].<\/p>\n

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Abb.5: Sind Elektronen stark korrelliert, d\u00fcrfen nur bestimmte Pl\u00e4tze besetzt werden (mit Stern markiert). Wir k\u00f6nnen uns das vorstellen wie in einem Zug mit Hygiene-Auflagen: Von oben erg\u00e4be sich dadurch ein regelm\u00e4\u00dfiges Muster aus besetzten und freien Pl\u00e4tzen.<\/p><\/div>\n

Ein bestimmter Zustand kann dabei nur einmal besetzt sein, \u00a0wie ein Sitz in der Stra\u00dfenbahn. Eine starke Korrelation von Zust\u00e4nden verbietet zus\u00e4tzlich, dass der Nachbarsitz besetzt wird. Wir k\u00f6nnen uns das wie die Hygienevorschriften w\u00e4hrend der Pandemie vorstellen: \u00a0Neben jedem Sitzplatz muss ein Platz unbesetzt bleiben. Wenn wir von oben auf die Passagiere blicken, ergibt sich so ein regelm\u00e4\u00dfiges Muster.<\/p>\n

Fehlt ein Elektron auf einem eigentlich zu besetzenden Platz, wird von einem „Loch“ gesprochen. Das Elektron, welches sich woanders aufh\u00e4lt, und das freie Loch bilden zusammen ein Elektron-Loch-Paar. Dies wird auch Exziton genannt und ist ein sogenanntes Quasiteilchen. Gemeinsam sind das negativ geladene Elektron und sein positiv geladenes \u201aLoch\u2018 neutral, sie werden daher von anderen geladenen Teilchen weniger abgesto\u00dfen.<\/p>\n

Genaugenommen gibt es auch Materialien, die nach diesem B\u00e4ndermodell eigentlich leitend sein sollten, es im Experiment aber einfach nicht sind! Schuld sind die Elektronen, die sich untereinander absto\u00dfen.<\/p>\n

Die r\u00e4umlich stark eingeschr\u00e4nkten Elektronen, sind stark lokalisiert. Das erh\u00f6ht die Absto\u00dfung der Elektronen und ver\u00e4ndert damit die theoretischen Energien des B\u00e4ndermodells, ein sogenannter Mott-Isolator entsteht.<\/p>\n

Mit quasi zwei dimensionalen Oberfl\u00e4chenschichten l\u00e4sst sich gleich eine ganze Klasse dieser Mott-Isolatoren\u00a0realisieren!<\/p>\n

Umgekehrt kann ein Isolator zu leiten beginnen, wenn externer Druck die Bandl\u00fccke zusammenstaucht, bis Leitungs- und Valenzband \u00fcberlappen. Theoretisch kann somit jedes Metall leiten, es muss nur ausreichend Druck ausge\u00fcbt werden!<\/p>\n

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Was ist ein Quasiteilchen?<\/b><\/p>\n

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Abb.6: Quasiteilchen k\u00f6nnen wir uns mit der Metapher einer Luftblase vorstellen: Zwar ist die Luftblase kein Teilchen im eigentlichen Sinne, trotzdem k\u00f6nnen ihr einige teilchenartige Eigenschaften, wie zum Beispiel eine runde Form, zugewiesen werden.<\/p><\/div>\n

Quasiteilchen k\u00f6nnen kleine St\u00f6rungen oder Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten in einem Material sein, die sich wie ein Teilchen verhalten. Vereinfacht k\u00f6nnen wir Blubberblasen in einer Sprudelwasserflasche betrachten. Eigentlich sind die Blasen nur ein Ph\u00e4nomen der Fl\u00fcssigkeit: CO2 ersetzt ein kleines Wasservolumen. Trotzdem besitzt die einzelne Blase einige teilchenartige Eigenschaften: Ihr kann eine Gr\u00f6\u00dfe, die runden Form und zu jeder Zeit ein Ort zugeordnet werden. Wir k\u00f6nnen beobachten, wie sie sich durch die Flasche bewegt und sogar mit anderen Bl\u00e4schen zusammenst\u00f6\u00dft.<\/p>\n

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Das Exziton-Quasiteilchen l\u00e4sst sich in den zweidimensionalen TMDs realisieren, die wir aus dem letzten Artikel kennen. Durch geschicktes Erzeugen von Moir\u00e9strukturen, versuchen Forschende die energetischen Zust\u00e4nde dieser Elektron-Loch-Paare zu kontrollieren und zu manipulieren.<\/p>\n

Zum Beispiel wird, wenn das Elektron und sein Loch sich wie beim Laser wieder vereinen, ein Photon abgestrahlt.<\/p>\n

Nun k\u00f6nnen Forschende dieses Photon, also das Lichtteilchen, zwischen zwei Spiegeln einfangen, so dass es nicht entkommen kann. Da der Abstand der Spiegel ungef\u00e4hr einem Mikrometer, also ungef\u00e4hr der Wellenl\u00e4nge des eingeschlossenen Lichtes entspricht, wird dieser Aufbau als Mikrokavit\u00e4t\u00a0bezeichnet. Trifft das eingefangene Photon dann wieder auf ein\u00a0Elektron, bildet sich erneut ein Elektron-Loch-Paar (Exziton), welches innerhalb der Mikrokavit\u00e4t\u00a0als\u00a0Polaritron bezeichnet wird.\u00a0Das kann theoretisch unendlich so weiter gehen!<\/p>\n

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