Moiré-Effekt: Wie sich Materialeigenschaften verdrehen lassen

Werkstoffe 06. 05. 2021
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2D-Materialien haben einen Boom in der Materialforschung ausgelöst. Nun zeigt sich: Spannende Effekte treten auf, wenn zwei derartige Schichtmaterialien aufeinander gestapelt und leicht verdreht werden

Die Entdeckung des Materials Graphen, das nur aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht, war der Startschuss für ein weltweites Forschungswettrennen: Aus unterschiedlichen Atomsorten werden heute sogenannte „2D-Materialien“ hergestellt – atomar dünne Schichten, die oft ganz besondere Materialeigenschaften aufweisen, wie sie in herkömmlichen, dickeren Materialien nicht zu finden sind.

Nun wird diesem Forschungsbereich ein weiteres Kapitel hinzugefügt: Werden zwei solche 2D-Schichten im richtigen Winkel gestapelt, ergeben sich nochmals neue Möglichkeiten. Durch die Art, in der die Atome der beiden Schichten interagieren, entstehen komplizierte geometrische Muster, und diese Muster haben entscheidende Auswirkungen auf die Materialeigenschaften, wie ein Forschungsteam der TU Wien und der Universität von Texas (Austin) nun zeigen konnte. Phononen – die Gitterschwingungen der Atome – werden ganz wesentlich durch den Winkel beeinflusst, in dem die beiden Materialschichten aufeinander gelegt werden. Somit kann mit winzigen Drehungen einer solchen Schicht die Materialeigenschaften maßgeblich verändert werden.

Der Moiré-Effekt

Die entscheidende Grundidee kann einfach mit zwei Stück Fliegengitter getestet werden – oder mit anderen regelmäßigen Strukturen, die übereinander gelegt werden: Wenn beide Gitter perfekt deckungsgleich aufeinanderliegen, ist von oben betrachtet kaum erkennbar, ob es sich um ein oder zwei Gitter handelt. An der Regelmäßigkeit der Struktur hat sich nichts geändert. Wenn nun aber eines der Gitter um einen kleinen Winkel verdreht wird, dann gibt es Stellen, an denen die beiden Gitter ungefähr zueinanderpassen, und andere Stellen, an denen sie ungefähr gegengleich zu liegen kommen. So lassen sich interessante Muster erzeugen – das ist der bekannte Moiré-Effekt.

Darstellung des Moire-Effekts (Bild: Erik Zumalt, Lukas Linhart)

 

Genau dasselbe kann auch mit den Atomgittern zweier Materialschichten erzielt werden, wie Dr. Lukas Linhart vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien erläutert. Das Bemerkenswerte daran ist, dass sich dadurch bestimmte Materialeigenschaften dramatisch ändern können – so wird etwa Graphen, wenn zwei Schichten davon auf die richtige Weise kombiniert sind, zum Supraleiter. Wir untersuchten Schichten von Molybdändisulfid, das ist neben Graphen wohl eines der wichtigsten 2D-Materialien, so Prof. Florian Libisch, der das Forschungsprojekt an der TU Wien leitete. Werden zwei Schichten dieses Materials aufeinandergelegt, treten sogenannte Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Atomen dieser beiden Schichten auf. Das sind relativ schwache Kräfte, aber sie reichen aus, um das Verhalten des Gesamtsystems völlig zu verändern. In aufwändigen Computersimulationen analysierte das Forschungsteam, welchen Zustand die neue Zweischicht-Struktur aufgrund dieser schwachen Zusatzkräfte annimmt, und wie das die Schwingungen der Atome in den beiden Schichten beeinflusst.

Auf den Drehwinkel kommt es an

Durch eine geringe Verdrehung der beiden Schichten führen die Van-der-Waals-Kräfte dazu, dass die Atome beider Schichten ihre Positionen geringfügig verändern. In den von Dr. Jiamin Quan von der UT Texas in Austin geleiteten Experimenten konnten die Rechenergebnisse bestätigt werden: Durch den Drehwinkel lässt sich einstellen, welche Atomschwingungen in dem Material physikalisch überhaupt möglich sind.

Materialwissenschaftlich ist es eine wichtige Sache, auf diese Weise Kontrolle über die Phononen-Schwingungen zu haben, so Lukas Linhart. Dass elektronische Eigenschaften eines 2D-Materials verändert werden können, indem zwei Schichten miteinander verbunden werden, war schon vorher bekannt. Aber dass auch die mechanischen Schwingungen im Material dadurch gesteuert werden können, eröffnet nun neue Möglichkeiten: Phononen und elektromagnetische Eigenschaften hängen eng miteinander zusammen. Über die Schwingungen im Material kann daher in wichtige Vielteilchen-Effekte steuernd eingegriffen werden. Nach dieser ersten Beschreibung des Effekts für Phononen versucht das Team nun Phononen und Elektronen kombiniert zu beschreiben und hofft so, mehr über wichtige Phänomene wie Supraleitung zu erfahren.

Der materialphysikalische Moiré-Effekt macht also das ohnehin bereits reichhaltige Forschungsfeld der 2D-Materialien noch reichhaltiger – und erhöht die Chancen, weiterhin neue Schichtmaterialien mit bisher unerreichten Eigenschaften zu finden und ermöglicht den Einsatz von 2D-Materialien als Versuchsplattform für ganz fundamentale Eigenschaften von Festkörpern.

Originalpublikation

J. Quan et al., Phonon renormalization in reconstructed MoS2 moiré superlattices, Nature Materials, 2021; https://dx.doi.org/10.1038/s41563-021-00960-1

Kontakt

Prof. Florian Libisch, Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Wien; florian.libisch@tuwien.ac.at

Dr. Lukas Linhart, Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Wien; lukas.linhart@tuwien.ac.at

Text zum Titelbild: 3D-Graphik der beiden Materialschichten (Bild: Erik Zumalt, Lukas Linhart)

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