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Nanotechnisch

Trends in spintronik und nanostrukturierten materialien

Ein interview mit aaron littlejohn, fachbereich physik, angewandte physik & astronomie, rensslaer polytechnik institut, nanostruktur labor

170112 Aaron Littlejohn

Aaron Littlejohn arbeitet seit 4 Jahren im Labor von Professor Gwo-Ching Wang im Fachbereich Physik, Angewandte Physik & Astronomie, Rensslaer Polytechnik Institut, Nanostruktur Labor an seiner Promotion. Er ist Wissenschaftler im Rensslaer Zentrum für Materialkunde, Geräte und integrierte Systeme (cMDIS), einer multidisziplinären Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Ingenieuren aus unterschiedlichen Gebieten mit dem Ziel, für eine sichere und erneuerbare Welt durch wichtige Beiträge in Forschung und Technologie. Seine Arbeit wird vom Focus Center in New York (FC-NY) in Partnerschaft mit Landesregierung, führenden Forschungsinstituten, und der amerikanischen Industrie in den Bereichen Mikroelektronik, Optoelektronik, Bioelektronik, und Telekommunikation gefördert. FC-NY ist ein Gründungsmitglied des Interconnect Focus Zentrums (IFC) – einer Kooperation zwischen Universitäten und der Halbleiterindustrie. Das IFC ist mit dem Massachusetts Institute of Technology, Stanford University und dem Georgia Institute of Technology eine von vier Forschungseinrichtungen.

Aarons Forschung untersucht die Effekte von Depositionsparametern auf die elektronischen und opto-elektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Filmlegierungen. Durch Veränderung der Umweltbedingungen können viele Materialeigenschaften mit Hinsicht auf die spezifische Anwendung beeinflusst werden. Er untersucht auch die das Wachstum von van der Waals Heterostrukturen und 2D/3D und 3D/2D Materialkombinationen. Das beinhaltet das Aufbringen von Werkstoffen, Substraten und traditionellen Materialien auf Substrate, sowie die Eigenart konventioneller heteroepitaxialer Filmen aufgrund fundamental unterschiedlicher Oberflächenbindungsmechanismen. Er arbeitet zur Zeit an der Entwicklung von Methoden zur Synthese von geschichteten Materialien für die Anwendung im Bereich der Solarzellen, Lithium-Ionen-Batterien und integrierten Schaltkreisen. Ein spannendes Projekt ist die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Vandiumdisulfid (VS2), einem Material, das für die nächste Generation von Spintroniksystemen vielversprechend scheint.


Können Sie kurz erklären, wie Sie neue Methoden zur Synthese von geschichteten Materialien für unterschiedliche Anwendungen, wie Solarzellen, Lithium-Ionen-Batterien und Chips erforschen und welche Fortschritte aufgrund dieser Forschung zu erwarten sind?

Dünne und ultradünne Materialien (sowie alle Materialien im Allgemeinen) können durch eine Vielzahl von Methoden hergestellt werden, von einfacher Exfolierung bis zu komplizierten Techniken, die Nasschemie verlangen. Geim und Novoselov benutzten Tesafilm, um eine einzelne Schicht von Graphen niederzulegen. Wenn Stöchiometrie und Schichtdicke wichtig sind, dann sind Synthesemethoden notwendig, die diese Faktoren direkt und präzise kontrollieren. Wir verwenden bekannte Depositionstechniken (thermische Deposition, Zerstäuben, Elektronenstrahlverdampfung, etc.) mit reaktiven Prozessen, um Übergangsmetalldichalcogenide (TMDCs) zu synthetisieren.

Die von uns ausgewählten Materialien weisen entweder experimentell oder theoretisch interessante oder vielversprechende Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften ermöglichen fundamentale Fortschritte in Nanotechnologie, Elektronik oder Optoelektronik, indem sie es ermöglichen gegenwärtige Geräte schneller oder mit weniger Energieverbrauch zu betreiben. Sie können auch die Grundlage für neue Technologien legen, die gegenwärtig nicht verfügbar sind. In der Forschung weiss man nie, welche Entdeckung die Welt auf ungeahnte Art und Weise verändern wird. Durch die Charakterisierung von neuen Materialeigenschaften können wir möglicherweise für Wissenschaftler und Ingenieure, die ein einem völlig anderen Gebiet arbeiten, das letzte Teil eines Puzzles finden.

Was sind die neuesten Forschungsergebnisse in Bezug auf das Wachstum von van der Waals Heterostrukturen oder 2D/3D und 3D/2D Materialkombinationen?

Die Untersuchung von van der Waals Heterostrukturen ist im Moment aufgrund der Abweichungen von konventioneller Heteroepitaxie ein spannendes und sehr aktives Forschungsgebiet. Schichtmaterialien mit starken chemischen Bindungen in einer Ebene, aber schwachen physikalischen Bindungen zwischen atomaren Schichten, können theoretisch exfoliert oder in ultradünner Form, gerade ein Atom hoch, synthetisiert werden. Das ist aus mehreren Gründen hochinteressant: 1) Die Eigenschaften eines Films in ultradünner Form können sehr unterschiedlich von denen des Ausgangsmaterials sein. Für praktische Anwendungen ist das sehr wichtig. 2) Die nächste Generation elektronischer Geräte mit ultradünnen Filmen mit wesentlich verringertem Formfaktor. Ein weiterer Vorteil wären höhere Geschwindigkeit und Effizienz mit weniger Material. Mit verringerten Materialkosten können die Gerätekosten gesenkt werden. Es gibt bereits Geräte mit einschichtigem Graphen und Molybdändisulfild (MoS2).

Bei der Benutzung von geschichteten Materialen als Substrat für das Wachstum von anderen Materialien kann man Filmatome als Initiatoren zur Kernbildung auf einer 2D Oberfläche benutzen (keine ungepaarten Valenzelektronen). Die Bindung an der 2D/3D Schnittstelle ist wesentlich schwächer als bei epitaxialem Wachstum. Das erlaubt das Wachstum von dehnungsfreien Filmen ohne Anforderung an passende Gitterparameter, eine Anforderung, die die Wahl von Substraten beim Wachstum von konventionellen Substraten stark einengt. Filme, die ohne Dehnung an der Schnittstelle mittels van der Waals Epitaxie (vdWE) entstehen, sollten hohe Qualität und wenig Defekte besitzen, ideal für den Einsatz in Geräten.

Zusätzlich zu der Untersuchung einer Reihe von 2D/3D und 3D/2D Materialkombinationen gibt es neue Anwendungen von vdWE für das Wachstum von nicht-planaren Nanostrukturen (z.B. Nanowire Arrays) in der Halbleiterindustrie. In der Zukunft werden wir die Anwendung von vdWE beim Wachstum von epitaxialen Filmen untersuchen und möglicherweise die Formation von ultradünnen Filmen auf ultradünnen Substraten. Der Trend zur Miniaturisierung hält an.

Was ist Methylammonium-Blei-Tribromid (MAPbBr3) und wie wird es benutzt zur Verringerung der Strahlungsdosis bei medizinischen Untersuchungen? Gibt es andere Anwendungsbereiche von MAPbBr3?

MAPbBr3 gehört zur Klasse der Organo-Blei-Trihalid-Perowskit-Materialien (OPTs), die sehr vielversprechend sind für die Benutzung in der Photovoltaik und in Strahlungsdetektoren. Insbesondere MAPbBr3 wurde in einem Röntgendetektor eingesetzt, der sehr empfindlich gegenüber geringen Dosen von Röntgenstrahlen ist (Wei et. al., Nature Photonics 10, 333-340, 2016). Dieses Material schwächt Photonen wesentlich effizienter als andere Werkstoffe, die gegenwärtig bei Röntgendetektoren eingesetzt werden. Aus diesem Grund wird weniger Material zum Einfangen der Photonen benötigt. Das Produkt von Ladungsträger-Mobilität (µ) und Ladungsträger-Halbzeit (τ), das als Maß für den Wirkungsgrad der Umwandlung und Empfindlichkeit dient, ist für MAPbBr3 außerordentlich hoch. Die besonderen Eigenschaften von MAPbBr3 erlauben möglicherweise auch den Einsatz in hocheffizienten Hybrid-Perowskit-Solarzellen und Gasdetektoren [Fang et. al. Science Advances 2016,2:e1600534].

Wie setzen Sie das Park Rasterkraftmikroskop in Ihrer Forschung ein und welche Features finden Sie besonders nützlich?

Das Park XE-7 ist absolut kritisch für meine Forschung. Es erlaubt mir, die Ansicht von 3D-Rekonstruktion von Oberflächenstrukturen in höherer Vergrößerung als mit anderen Mikroskopietechniken. Ich benutze Oberflächenanalyse zur Bestimmung von Höhe-Höhe-Korrelationen und der Oberflächenrauheit. Ich erhalte regelmäßig Auflösungen im Subnanometer-Bereich. Das garantiert die Genauigkeit meiner Daten. Ich benutze den Large Range Modus für Übersichtsmessungen über Hunderte von Mikrometern und mehr detaillierte Abbildungen im Small Scale Modus. Die Präzision des Park Rasterkraftmikroskops im Non-Contact Modus liefert Scans von höchster Qualität.

Sind Abbildungen im Nanometer-Bereich für Ihre Forschung notwendig? Wenn ja, warum?

Die Aufnahmen mit unserem Park Rasterkraftmikroskop und seiner Auflösung im Nanometer-Bereich sind absolut essentiell für unsere Forschung. Nur so können wir die Morphologie von Filmen in unserem Labor untersuchen und die Kalibrierung der Depositionsparameter durchführen. Oberflächenrauheit ist ein wichtiger Parameter für die Charakterisierung des Films mit enormem Bedeutung für die Qualität der Schnittstelle von Heterobindungen. Die ist wichtig für die Effizienz von Geräten, wie zum Beispiel Solarzellen. Aus der Morphologie des Films können wir auch Wachstumsmechanismen ableiten oder die Kernbildung und Evolution des Films verstehen. Die Software zum Analysieren der Daten erleichtert zudem das Erstellen von publikationsreifen Abbildungen.

Können Sie uns sagen, wie Spintronik die Speicherung von Daten und die Halbleiterindustrie verändert?

Die theoretischen Grundlagen für spinabhängigen Elektronentransport existieren gerade einmal ein paar Jahrzehnte. Spintronik, kurz für Spintransport-Elektronik, benutzt elektrische und magnetische Felder um das Kernspinmoment von Elektronen zu beeinflussen, zusätzlich zur Ladung, als ein zweiter Freiheitsgrad. Der Spin liefert zusätzliche Information und bleibt erhalten, selbst in Abwesenheit von Stromfluss. Im Vergleich zu heutiger Elektronik haben Spintronik-Kreisläufe das Potential für schnelleren Datenfluss bei verringertem Strombedarf. Das wäre eine Revolution in der Komputerindustrie. Das hat die Forschung vieler industrieller und akademischer Gruppen bei der Suche nach Materialien geprägt, die zur Realisierung der nächsten Generation von Spintronikgeräten führt.

Was ist Vandiumdisulfid (VS2) und wie könnten seine magnetischen Eigenschaften bei Spintronikgeräten zum Einsatz kommen?‘

Vanadiumdisulfid (VS2) ist ein schichtförmiges Übergangsmetalldichalcogenid (TMDC), bestehend aus Schichten von Vanadiumatomen eingebettet zwischen Schichten von Schwefelatomen. In der Vergangenheit wurde das Material als mögliche Anode in Lithium-Ionen-Batterien, Superkapazitator und Feuchtigkeitssensor untersucht. Da das Material schichtförmig ist, sollte Exfolierung oder das Wachstum von VS2 in einschichtiger Form möglich sein.

Ein wichtiges Gebiet in der Spintronikforschung ist die Suche nach Materialien, die sich für die Implementierung in Spintroniksystemen eignen. Ultradünne oder einschichtige Lagen von VS2 erscheinen vielversprechend aufgrund ihrer ferromagnetischen Eigenschaften, die mittels isotroper Verformung direkt beeinflusst werden können. Mit zunehmendem Druck auf die VS2 Schicht zwischen -5 % and +5 % nimmt das magnetische Moment der Atome monoton zu [Y. Ma et al. ACS Nano 6,2,1695-1701, 2012]. Dieses Verhalten lässt sich in verschiedenen Anwendungen, einschließlich in der Spintronik, als mechanischer Schalter benutzen zur Kontrolle von spinpolarisiertem Elektronentransport. Dieses Verhalten ist jedoch bisher nur durch dichteabhängige Simulationen belegt. Ich hoffe jedoch, das Material zu synthetisieren, um dann die elektronischen und magnetischen Eigenschaften testen zu können. Ich bin auch dabei, verschiedene Vanadiumoxide (VO2, V2O5) zu synthetisieren. Diese Moleküle sind ebenso vielversprechend aufgrund der Möglichkeit ihre ferromagnetischen Eigenschaften verändern zu können.

Welche Fortschritte sehen Sie in der Zukunft auf dem Gebiet der Spintronik und ihren Einfluss auf die Gesellschaft?

Da ich in der Grundlagenforschung der Materialsynthese und Charakterisierung arbeite und nicht als Ingenieur an der Implementierung der Materialien in Geräten tätig bin, ist dies für mich eine etwas schwierige Frage, aber ich kann sagen, dass der Einfluss der Spintronik auf unsere Gesellschaft bemerkenswert sein wird. In der Zukunft werden Geräte schneller und leistungsfähiger sein, in kleinerem Formfaktor und kostengünstiger herzustellen sein. Das bedeutet, höhere Qualität, sowie Zugang zu und Erfindung von neuen Technologien, die zur Lösung von Problemen und einem höheren Lebensstandard führen werden. Im Moment ist es nicht möglich, vorherzusagen, wie die Spintronik die Welt verändern wird, aber die Zukunft ist mit Sicherheit spannend.