Prof. Dr. Hubert Krenner
Universität Augsburg
Lehrstuhl für Experimentalphysik I

Prof. Ludwig Bartels
University of California, Riverside
Chemistry Department

Molybdändisulphid stellt ein prototypisches Übergangsmetall-Dichalcogenid dar, das seit kurzem breite Aufmerksamkeit erfährt, da es als Einzellage eine direkte Bandlücke von ~1.9 eV besitzt und eine starke Spin-Bahn Wechselwirkung aufweist. Daher ist MoS₂ – im Gegensatz zu Graphen – ideal für optoelektronische Anwendungen und die Spintronik geeignet. Ziel dieses Projekt ist die Untersuchung der Dynamik photogenerierter Ladungsträger in MoS₂ Einzellagen mittels akustischer Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, SAWs). In dieses Projekt fließen die Expertisen zur Herstellung einzellagigen MoS₂ in Riverside und in der Untersuchung optisch aktiver Nanosysteme mittels SAWs in Augsburg ein. Mittels dieser Methode werden erstmals Kontakt-freie Messungen der elektrischen Transport Eigenschaften an MoS₂ möglich, die den Weg zu einem grundlegenden Verständnis dieser grundlegenden Materialparameter in MoS₂ und anderen verwandten Materialsystemen ebnen.

Abschlussbericht:

Zweidimensionale Materialen haben im Sturm Einzug in grundlagen- und anwendungs-orientierte Forschung gehalten. Einzellagen von Übergangsmetalldichalkogeniden (engl. transition metal dichalcogenides, TMDs) wie zum Beispiel MoS₂ spielen hier eine wichtige Rolle. Diese Materialen sind Halbleiter und besitzen im Gegensatz zu Graphen eine für praktische Anwendungen geeignete elektronische Bandlücke. Einzellagen diese TMD Materialen können mit einer breiten Palette spektroskopischer Methoden untersucht werden. Untersuchungen des elektrischen Transports benötigen lithographisch hergestellte Kontakte an der Oberfläche des Materials. Mit Hilfe solcher Methode konnten zwar bereits spannende und wichtige Informationen über die Eigenschaften von TMDs gewonnen werden, sie sind aber intrinsisch limitiert durch Beiträge von sogenannten Schottky-Barrieren, die sich zwischen der TMD-Schicht und dem Metallkontakt ausbilden. Diese Einschränkungen können ausschließlich mit Kontakt-freien Methoden überwunden werden.

Unsere Arbeitsgruppen in Augsburg und Riverside brachten in dieses Projekt ihre komplementären Expertisen zum Wachstum an und Spektroskopie von TMD Schichten (AG Bartels) und akustischer Oberflächenwellen (engl. Surface acoustic waves, SAWs) zur Kontakt-freien Untersuchung von Nanosystemen (AG Krenner) ein. In unseren gemeinsamen Arbeiten ist es uns insbesondere gelungen, (i) MoS₂ auf in der SAW-Technologie hoch relevanten 128° rot Y X-propagierenden LiNbO₃ Substraten herzustellen. Diese Schichten waren das Ausgangsmaterial für (ii) die Herstellung eines akusto-elektrischen und Feld-Effekt-Transistor Hybrid-Bauelements. Mit Hilfe dieses Hybrid-Bauelements konnten wir Änderungen der Photoleitfähigkeit der MoS₂ Einzellage durch eine Variation der Dämpfung der Schallwelle Kontakt-frei nachweisen.

Die durch BaCaTeC gewährte Anschubfinanzierung ermöglichte mehrere wechselseitige Besuche von Nachwuchswissenschaftlern: Bis jetzt besuchten drei Studenten der UC Riverside (Edwin Preciado [zwei Besuche], Miguel Isarraraz & Michael Gomez) Bayern und Sebastian Hammer, Doktorand an der Universität Augsburg verbrachte einen Monat in Kalifornien um in den Laboren der AG Bartels zu forschen.

Dieser rege Austausch ermöglichte unseren Studenten gemeinsame Experimente durchzuführen, deren Ergebnisse bereits in hochrangigen Journalen, Nature Communications [1] und Applied Physics Letters [2] veröffentlicht wurden. Insbesondere die in Nature Communications erschienen Arbeit [1] berichtet über bahnbrechende Ergebnisse, die SAW-Spektroskopie als Untersuchungsmethode für TMD-Materialien etablierte. In dieser Veröffentlichung konnten wir zeigen, dass diese Methode (i) vollkommen Kontakt-frei (ii) elektrische Transporteigenschaften detailgetreu auflöst und (iii) als empfindlicher Photoleitfähigkeitssensor eingesetzt werden kann.

Als nächsten Schritt hin zu nanophotonischen Bauelementen ist es uns kürzlich gelungen, die Lichtemission von MoS₂ Einzellagen in hybriden MoS₂-SiO₂ photonischen Kristall Nanokavitäten zu verstärken. Ein Manuskript zu diesen neuen Arbeiten wurde kürzlich eingereicht [3]. Wir planen darüber hinaus, vorbehaltlich dass ausreichend Mittel zur Verfügung stehen, dass Michelle Wurch im kommenden Sommer zwei Monate in Augsburg forschen wird. Im Gegenzug soll Sebastian Hammer aus Augsburg gegen Ende des Jahres zu einem Forschungsaufenthalt nach Riverside aufbrechen.

Veröffentlichungen mit Hinweis auf BaCaTeC Förderung in den Danksagungen:

[1] E. Preciado, F. J. R. Schülein, A. E. Nguyen, D. Barroso, M. Isarraraz, G. von Son, I-H. Lu, W. Michailow, B. Möller, V. Klee, J. Mann, A. Wixforth, L. Bartels, H. J. Krenner, “Scalable Fabrication of a Hybrid Field-Effect and Acousto-Electric Device by Direct Growth of Monolayer MoS₂/LiNbO₃.” Nature Communications 6, 8953 (2015)

Ausgewählte Pressemitteilungen zu dieser Arbeit:
https://idw-online.de/de/news640338
https://idw-online.de/de/news640335
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-10/uoc--npn102615.php
https://www.ecnmag.com/news/2015/10/nanoquakes-probe-new-2-dimensional-material
http://www.nano-initiative-munich.de/press/press-releases/meldung/n/nanoquakes-probe-new-2-dimensional-material/

[2] W. Michailow, F. J. R. Schülein, B. Möller, E. Preciado, A. E. Nguyen, G. v. Son, J. Mann, A. L. Hörner, A. Wixforth, L. Bartels, H. J. Krenner, “Combined electrical transport and capacitance spectroscopy of a MoS₂-LiNbO₃ field effect transistor.” Applied Physics Letters 110, 023505 (2017)

[3] S. Hammer, H.-M. Mangold, A. E. Nguyen, D. Martinez-Ta, S. Naghibi Alvillar, L. Bartels, H. J. Krenner, “Scalable fabrication of an array of hybrid MoS₂-SiO₂ photonic crystal nanocavities with quality factors exceeding 4000”, submitted (2017)