Dresdner Forscher identifizieren 2.531 potenzielle 2D-Materialien mit neuem Rechenverfahren
Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden haben ein neues Rechenverfahren entwickelt und damit 2.531 potenzielle zweidimensionale Materialien identifiziert. Das geht aus einer Mitteilung der TU Dresden vom 27. Oktober hervor. Die Methode spürt ultradünne Materialschichten auch in Kristallen auf, die bislang für solche Untersuchungen kaum berücksichtigt wurden. Die neu identifizierten Materialien könnten künftig bei der Entwicklung von Halbleitern und optoelektronischen Bauelementen zum Einsatz kommen.
Neue Methode zur Analyse von Kristallstrukturen
Mit ihrem neuen Rechenverfahren wollen die Dresdner Forschenden das Potenzial bislang kaum untersuchter Kristalle für zweidimensionale Materialien erschließen. Das Modell „eXfoliation and Cleavage Potential“ (XCP) analysiert dafür die Stärke der chemischen Bindungen anhand der beteiligten Elemente und ihrer Atomabstände. Zwei Algorithmen ermitteln mögliche Trennebenen oder lösen rechnerisch schrittweise besonders schwache Bindungen. Auf diese Weise kann das Verfahren nach Angaben der TU Dresden auch atomar unebene Flächen berücksichtigen.
Bisher konzentrierte sich die Materialforschung hauptsächlich auf Kristalle, deren einzelne Schichten nur schwach zusammenhalten. Mit XCP können die Wissenschaftler nun auch dreidimensionale Kristallstrukturen mit stärkeren chemischen Bindungen untersuchen. Bei der Analyse von über 24.000 experimentell bekannten Kristallstrukturen ohne klassischen Schichtaufbau identifizierten sie laut Mitteilung 2.531 aussichtsreiche Kandidaten für weiterführende Berechnungen. Bei diesen bleibt die chemische Zusammensetzung beim rechnerischen Ablösen erhalten. Tests mit bereits hergestellten 2D-Materialien zeigten zudem, dass das Modell bevorzugte Trennebenen zuverlässig erkennt.
Tom Barnowsky, Erstautor der Studie und Doktorand an der TU Dresden, sagte: „Elektronische Strukturrechnungen für jede denkbare Oberfläche wären ausgesprochen aufwendig. Unser effizientes Modell kann große Materialdatenbanken dagegen mit minimalem Rechenaufwand durchsuchen. Detaillierte Berechnungen sind erst für die besonders vielversprechenden Treffer erforderlich.“
Potenzial für Halbleiter und Optoelektronik
Die identifizierten Materialien könnten nach Einschätzung der Dresdner Forschenden neue Möglichkeiten für die Entwicklung elektronischer Bauelemente eröffnen. Besonders interessant sind dabei die Veränderungen ihrer elektrischen Eigenschaften: Bestimmte Halbleiter könnten beim Übergang zu ultradünnen Schichten metallisch werden. Für weitere Kandidaten prognostiziert das Team eine direkte Bandlücke, die sie für optoelektronische Anwendungen interessant macht. Magnetische Materialien könnten den Forschenden zufolge außerdem in der Spintronik zur Datenverarbeitung und -speicherung zum Einsatz kommen.
Für eine spätere technische Nutzung sprechen die vergleichsweise geringen Ablösungsenergien vieler Kandidaten. Zahlreiche Strukturen erwiesen sich laut Mitteilung in den Berechnungen zudem als dynamisch und thermodynamisch stabil. Allerdings steht der experimentelle Nachweis ihrer Herstellbarkeit noch aus. Welche der berechneten Materialschichten sich tatsächlich gewinnen lassen, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
