Hochqualitatives hexagonales Bornitrid – made in Aachen
Gute Nachrichten für die europäische Forschung an zweidimensionalen Materialien: Einem Forschungsteam der RWTH Aachen ist es gelungen, ein Verfahren zur Züchtung von hochwertigem hexagonalem Bornitrid bei Atmosphärendruck und hohen Temperaturen zu implementieren und damit die Versorgungskette für dieses einzigartige Material zu stärken.
Hexagonales Bornitrid (hBN) spielt im Bereich der zweidimensionalen (2D) Materialien eine besondere Rolle, da es einer der wenigen heute verfügbaren 2D-Isolatoren von sehr hoher kristalliner Qualität ist. Die meisten modernen elektronischen Bauelemente, die auf 2D-Materialien basieren, enthalten eine oder mehrere Flocken aus hBN, die als Substrat und Enkapsulierungsmaterial verwendet werden. Der größte Teil dieses hBNs stammt aus einer einzigen Quelle: dem Labor von Takashi Taniguchi und Kenji Watanabe am National Institute of Material Science in Tsukuba, Japan.
Taniguchi und Watanabe sind die Pioniere auf dem Gebiet des hochwertigen hBN und haben bereits hunderte Labore auf der ganzen Welt mit hochwertigen hBN-Kristallen versorgt. Ohne ihren Beitrag wäre ein Großteil der Fortschritte der letzten Jahrzehnte im Bereich Graphen und 2D-Materialien nicht möglich gewesen. Ihre Wachstumsmethode ist jedoch schwer zu reproduzieren, da sie sowohl eine hohe Temperatur (über 1500°C) als auch einen extrem hohen Druck (mehr als das 40.000-fache des atmosphärischen Drucks) erfordert, der mit einer hydraulischen Presse erreicht wird, ähnlich der, die für künstliche Diamanten verwendet wird.
Die Gruppe von Taniguchi und Watanabe hat auch einen alternativen Ansatz entwickelt, um hBN unter weniger anspruchsvollen experimentellen Bedingungen zu wachsen. Die Methode, die immer noch sehr hohe Temperaturen (bis zu 1550°C) erfordert, aber bei Atmosphärendruck funktioniert, wurde später von der Gruppe von James Edgar an der Kansas State University so weit optimiert, dass sie nun in Bezug auf die Qualität der resultierenden hBN-Flocken mit der ursprünglichen Hochdruckmethode gleichzieht.
Dieser Fortschritt wurde bereits von Wissenschaftlern in China reproduziert. In Europa gab es bisher jedoch keine akademische Bezugsquelle von hochwertigem hBN. Ein Team von Physikern und Chemikern an der RWTH Aachen hat diese Lücke nun geschlossen und den Wachstumsprozess von hBN bei Atmosphärendruck erfolgreich umgesetzt.
"Ich denke, dies ist eine wichtige Nachricht für die Forschungsgemeinschaft der 2D-Materialien in Europa, da es die Stabilität der Versorgungskette für hochwertiges hBN sicherstellt, ein Material, das von vielen Laboren benötigt wird", sagt Projektkoordinator Professor Christoph Stampfer vom Lehrstuhl für Experimentalphysik (Festkörperphysik) und II. Physikalisches Institut der RWTH Aachen. "Das in Aachen realisierte Wachstumsverfahren ist zwar kein wissenschaftlicher Durchbruch, aber aus technologischer Sicht eine wichtige Errungenschaft, die wir dank der Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Paul Kögerler vom Institut für Anorganische Chemie der RWTH und der Unterstützung von James Edgar erreicht haben.“
Das Team um Stampfer und Kögerler hat die Expertise beider Gruppen zusammengeführt, um einen ganzheitlichen Ansatz für das Wachstum und die Charakterisierung von hBN zu entwickeln. Der Wachstumsprozess beinhaltet das Schmelzen und Abkühlen von Eisen und Bor unter sehr kontrollierten Bedingungen und konstantem Stickstofffluss. Das Ergebnis dieses Prozesses, der fast sieben Tage dauert, ist ein Eisenbarren, der teilweise mit einer durchgehenden Kristallschicht aus hBN bedeckt ist. Der nächste kritische Schritt besteht darin, das hBN vom Eisen zu trennen. Das RWTH-Team hat gezeigt, dass dies in einem einzigen Schritt mit Salzsäure möglich ist und dass dieser nasschemische Schritt die Qualität des hBN selbst nicht beeinträchtigt. Die Charakterisierung umfasste sowohl Raman-Spektroskopie-Messungen als auch elektrische Transportmessungen an Bauelementen, die auf in hBN enkapsuliertem Graphen basieren.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nanotechnology veröffentlicht.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Christoph Stampfer
RWTH Aachen
Lehrstuhl für Experimentalphysik (Festkörperphysik) und II. Physikalisches Institut
stampfer@physik.rwth-aachen.de
Originalpublikation:
“Chemically detaching hBN crystals grown at atmospheric pressure and high temperature for high-performance graphene devices”
T. Ouaj, L. Kramme, M. Metzelaars, J. Li, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. H. Edgar, B. Beschoten, P. Kögerler, and C. Stampfer, Nanotechnology, 34 475703 (2023)
DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6528/acf2a0
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