In Kunststoff gehüllte Silizium-Nanoblätter als Graphen-Alternative

Silizium-Nanoblätter sind dünne, zweidimensionale Schichten und besitzen herausragende, optoelektronische Eigenschaften, ähnlich denen des Graphens. Eine eigenständige Stabilität ist allerdings nicht gegeben. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat nun erstmals ein Verbundmaterial aus den Silizium-Nanoblättern und einem Kunststoff vorgestellt, das UV-beständig und leicht zu verarbeiten ist – eine Alternative zu Graphen? Einer industriellen Anwendung, etwa als Material für flexible Displays oder Photosensoren, kommt das interdisziplinäre Team damit ein bedeutendes Stück näher.

Alina Lyuleeva am Rasterkraftmikroskop, mit dem die Silizium-Nanoblättchen vermessen werden | Foto: Uli Benz / TU München

Ähnlich wie Kohlenstoff bildet auch Silizium zweidimensionale Netzwerke, die nur eine Atomlage dick sind. Wie das Graphen, für dessen Entdeckung Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Nobelpreis erhielten, verfügen sie über herausragende optoelektronische Eigenschaften. Einsetzbar wären Silizium-Nanoblätter daher in der Nanoelektronik, beispielsweise für biegbare Displays, als Material für Feldeffekttransistoren oder für Photodetektoren. Auf Grund seiner Fähigkeit Li-Ionen zu speichern, ist es auch als Anodenmaterial für Lithiumionen Akkus im Gespräch.

„Silizium-Nanoblätter sind besonders interessant, weil unsere gesamte Informationstechnologie heute auf Silizium basiert und man anders als beim Graphen nicht auf einen anderen Grundstoff wechseln müsste”, erklärt Tobias Helbich vom WACKER-Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie der TU München. „Jedoch sind die Nanoblätter alleine sehr anfällig und werden von UV-Licht schnell zersetzt, was seine Anwendung bisher stark einschränkte.”

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Polymer und Nanoblätter – die besten Eigenschaften vereint

Nun ist es Helbich zusammen mit Professor Bernhard Rieger, Inhaber des Lehrstuhls für Makromolekulare Chemie, erstmals gelungen die Silizium Nanoblätter in Kunststoff einzubetten und so vor der Zersetzung zu schützen. Gleichzeitig werden die Nanoblätter im selben Schritt modifiziert und so gegen Oxidation geschützt. Es ist das erste Nanokomposit auf Basis von Siliziumnanoblättern.

„Das Besondere an unserem Nanokomposit ist, dass es die positiven Eigenschaften seiner beiden Bestandteile vereint”, erklärt Tobias Helbich. „Die Polymermatrix absorbiert das Licht im UV Bereich, stabilisiert die Nanoblätter und verleiht dem Material die Eigenschaften des verwendeten Polymers, während gleichzeitig die außergewöhnlichen optoelektronischen Eigenschaften der Nanoblätter erhalten bleiben.”

Fernziel Nanoelektronik – große Schritte in Richtung Industrie

Alina Lyuleeva M.Sc. vom Institute for Nanoelectronics legt einen Si-Wafer in das AFM Mikroskop um die Oberflaechen-Nanostrukturen zu messen. | Foto: Uli Benz / TU München

Seine Flexibilität und Beständigkeit gegen äußere Einflüsse führen zudem dazu, dass sich das neu entwickelte Material mit gängigen Verfahren der Polymertechnik industriell verarbeiten lässt. Eine industrielle Anwendung rückt so in greifbare Nähe.

Besonders für einen Einsatz im Bereich des gerade neu aufkommenden Gebiets der Nanoelektronik eignen sich die Komposite. Hier werden „klassische” elektronische Komponenten wie Schaltkreise und Transistoren auf Basis neuer Nanomaterialien in Größen verwirklicht, die unter 100 Nanometern liegen. Auf diese Weise lassen sich ganz neue Technologien verwirklichen – etwa für schnellere Computerprozessoren.

Nanoelektrischer Photodetektor

Extrudiertes Composite-Material aus Polymer-umhuellten Silizium-Nanoblaettchen unter UV-Licht | Foto: Tobias Helbich / TUM

Eine erste erfolgreiche Anwendung des von Helbich konstruierten Nanokomposits wurde erst vor kurzem im Rahmen des des ATUMS Graduiertenprogramms (Alberta/TUM International Graduate School for Functional Hybrid Materials vorgestellt: Alina Lyuleeva und Prof. Paolo Lugli vom Lehrstuhl für Nanoelektronik der TU München gelang es in Zusammenarbeit mit Helbich und Rieger, einen wenige Nanometer großen Photodetektor zu bauen.

Dafür trugen sie die in eine Polymermatrix eingebetteten Silizium-Nanoblätter auf eine mit Goldkontakten beschichtete Siliziumdioxid-Oberfläche auf. Aufgrund seiner geringen Abmessungen spart ein solcher nanoelektronischer Detektor viel Platz und Energie.

Die Arbeit ist Teil des ATUMS Graduiertenprogramms (Alberta/TUM International Graduate School for Functional Hybrid Materials (ATUMS; IRTG 2022), in dem deutsche und kanadische Wissenschaftler aus den Bereichen Chemie, Elektrotechnik und Physik eng zusammen arbeiten. Ihr Ziel ist es nicht nur, auf Basis von Nanopartikeln und Polymeren Materialien mit ganz neuen Funktionen zu schaffen, sondern zugleich auch parallel erste Anwendungen zu entwickeln. Die Arbeiten wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Natural Science and Engineering Research Council of Canada (NSERC).

Publikation
Helbich, T., Lyuleeva, A., Ludwig, T., Scherf, L. M., Fässler, T. F., Lugli, P., & Rieger, B. One‐Step Synthesis of Photoluminescent Covalent Polymeric Nanocomposites from 2D Silicon Nanosheets.
Advanced Functional Materials, 26(37), 6711-6718
DOI: 10.1002/adfm.201602137

Lyuleeva, A., Helbich, T., Rieger, B., Lugli, P.
Polymer-Silicon Nanosheet Composites: Bridging the Way to Optoelectronic Applications.
Journal of Physics D: Applied Physics, 2017, Vol 50, 135106.
DOI: 10.1088/1361-6463/aa5005

Kontakt

Prof. Dr. Bernhard Rieger
WACKER-Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie
Technische Universität München
Lichtenbergstraße 4, 85747 Garching