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Nanoelektromechanische Sensoren aus 2D-Materialien – ein Überblick

Max Lemme und Kollegen veröffentlichten aktuell einen Übersichtsartikel über nanoelektromechanische (NEMS) Sensoren auf Basis von schwebender zweidimensionalen (2D) Materialien in der Zeitschrift RESEARCH.

Dies ist eine multidisziplinären Open-Access-Zeitschrift, die 2018 als erste Zeitschrift im Rahmen des Science Partner Journal (SPJ)-Programms ins Leben gerufen wurde. Das Paper ist ein „Invited Paper“ zu einer Sonderausgabe mit dem Titel “Progress and challenges in emerging 2D nanomaterials preparation, processing and device integration” (Fortschritte und Herausforderungen bei der Vorbereitung, Verarbeitung und Geräteintegration von neu entstehenden 2D-Nanomaterialien) mit dem Ziel zur Entwicklung des Bereichs der 2D-Materialien für Sensoranwendungen und zu deren Integration in die konventionelle Halbleitertechnologie beizutragen.

Schematische Darstellung eines Drucksensors auf der Basis eines 2D-Materials (Graphen)
Schematische Darstellung eines Drucksensors auf der Basis einer suspendierten Graphenmembran (Bild: S. Wagner@AMOGmbH)

“Ich glaube, dass NEMS-Sensoren auf der Basis von 2D-Materialien wesentlich dazu beitragen werden, die Nachfrage nach integrierten, leistungsfähigen Sensoren zu befriedigen, die durch Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT) und autonome Mobilität entsteht”, so Lemme. Der Bericht fasst die vielen Studien zusammen, die erfolgreich die Machbarkeit der Verwendung von Membranen aus 2D-Materialien in Drucksensoren, Mikrofonen, Massen- und Gassensoren gezeigt haben. Er erläutert die verschiedenen Sensorkonzepte und gibt einen Überblick über die relevanten Materialeigenschaften, Herstellungswege und Funktionsprinzipien der Geräte.

“Zweidimensionale Materialien eignen sich ideal für Sensoren”, sagt Lemme, “da sie es erlauben, freistehende Strukturen zu realisieren, die nur wenige Atome dick sind. Diese ultimative Dünne kann bei nanoelektromechanischen Sensoren ein entscheidender Vorteil sein, da die Leistung oft entscheidend von der Dicke des aufgehängten Bauteils abhängt. Darüber hinaus haben viele 2D-Materialien einzigartige elektrische, mechanische und optische Eigenschaften, die für völlig neue Konzepte von Sensorvorrichtungen genutzt werden können”.

Der Bericht enthält Beiträge der RWTH Aachen, der AMO GmbH, der Universität der Bundeswehr München, der KTH Royal Institute of Technology, der TU Delft, von Infineon und dem Kavli Institute of Nanoscience. Diskutiert werden hier die unterschiedlichen Auslese- und Integrationsmethoden verschiedener Sensoren auf der Basis von 2D-Materialien. Er bietet Vergleiche mit dem Stand der Technik, um sowohl die Herausforderungen als auch die Versprechungen der auf 2D-Materialien basierenden nanoelektromechanischen Sensorik aufzuzeigen.

“Sensorgeräte auf der Basis von schwebenden 2D-Materialien sind fast immer kleiner als ihre konventionellen Pendants, weisen verbesserte Leistungen und manchmal sogar völlig neuartige Funktionalitäten auf”, sagt Peter G. Steeneken, Leiter des Arbeitspakets 6 (Sensoren) im Graphene-Flaggschiff und Mitautor des Beitrags. “Es gibt jedoch noch enorme Herausforderungen, um zu zeigen, dass NEMS-Sensoren auf der Basis von 2D-Materialien herkömmliche Geräte in allen wichtigen Aspekten übertreffen können – z.B. bei der Etablierung ertragreicher Fertigungsmöglichkeiten. Das Graphen-Flaggschiff stellt die ideale Plattform dar, um diese Herausforderungen anzugehen, da es die Zusammenarbeit zwischen weltweit führenden Gruppen fördert, um eine Reihe klar definierter Ziele zu erreichen. Dieses Papier ist ein Beispiel dafür, wie wir durch die Zusammenführung sich ergänzender Fachkenntnisse mehr erreichen können”.

Die Arbeit wurde finanziell unterstützt von der Europäischen Kommission im Rahmen des Projekts Graphene Flagship [785219, 881603] und ULISSES [825272], vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts GIMMIK [03XP0210] und NobleNEMS [16ES1121], vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft, Mittelstand und Energie (BMWi) und vom Europäischen Sozialfonds in Deutschland im Rahmen des Projekts AachenCarbon [03EFLNW199], die Schwedische Forschungsstiftung (VR) (2015-05112), das von VINNOVA geförderte FLAG-ERA-Projekt CO2DETECT (2017-05108), das niederländische 4-TE-Verbundprojekt High Tech für eine nachhaltige Zukunft und das von der Schwedischen Forschungsstiftung (VR) (2019-03412) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte FLAG-ERA-Projekt 2DNEMS (LE 2441/11-1).

Bibliographische Angaben:
Nanoelectromechanical Sensors based on Suspended 2D Materials”, M. C. Lemme, S. Wagner, K. Lee, X. Fan, G. Verbiest, S. Wittmann, S. Lukas, R. J. Dolleman, F. Niklaus, H. S. J. van der Zant, G. S. Duesberg, P. G. Steeneken
RESEARCH | Volume 2020 |Article ID 8748602 | https://doi.org/10.34133/2020/8748602

Kontakt:
Prof. Dr. Max C. Lemme
Email: lemme@amo.de