Neue Veröffentlichung in Nature Communications zur Messung der Adhäsion von 2D-Materialien

Einer der großen Vorteile von zweidimensionalen (2D) Materialien ist ihre selbstpassivierende Struktur, die eine Abscheidung auf jedem Substrat ermöglicht und neue Möglichkeiten für dreidimensionale Stacks eröffnet. Der Nachteil ist ihre geringe Haftung zum Substrat, was zu Instabilitäten der Bauteile führen kann. Die Quantifizierung der Haftung von 2D-Materialien auf dreidimensionalen Oberflächen ist daher ein wichtiger Schritt für die zuverlässige Integration von Geräten, die auf 2D-Materialien basieren. Ein Forscherteam um Max Lemme hat nun gezeigt, dass die Adhäsion zwischen 2D-Materialien und Substraten mit Hilfe des sogenannten Button Shear Tests (engl. für Knopfscher-Test) effizient quantifiziert werden kann.

Obwohl der Button Shear Test eine etablierte Methode zur Messung der Adhäsion in der Halbleiterindustrie ist, musste seine Anwendbarkeit zur Quantifizierung der Adhäsion von 2D-Materialien erst bewiesen werden. Eine der Herausforderungen bestand darin, die Größe des Knopfs und die Messroutine zu bestimmen, die erforderlich sind, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.

Das Grundprinzip des Button Shear Tests ist einfach: Ein Polymer-Button wird auf die Probe aufgebracht und dient als „Griff“, um die Probe zu bewegen, indem mit einer Metallspitze daran gezogen wird. Genauer gesagt wird die Probe mit konstanter Geschwindigkeit gegen einen feststehenden Scherkopf bewegt, während gleichzeitig die Position des Probenhalters und die auf den Kopf ausgeübte Kraft aufgezeichnet werden. Die maximale Kraft, die aufgezeichnet wird, entspricht der Kraft, die erforderlich ist, um den Scherprozess einzuleiten, und gibt Aufschluss über die Adhäsion zwischen Probe und Substrat.

Obwohl das Prinzip einfach ist, hängt die Zuverlässigkeit der Methode entscheidend von den Details ab, insbesondere von den Eigenschaften der Knöpfe und der Messgeschwindigkeit, die sorgfältig getestet und für die zu untersuchenden Materialien optimiert werden müssen. Die Ergebnisse einer solchen systematischen Studie, die sich auf 2D-Materialien konzentrierte, wurden jetzt in Nature Communications veröffentlicht. Die Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (ELD) der RWTH Aachen, der Infineon Technologies AG und der AIXTRON SE. Die AMO GmbH und weitere akademische Partner waren ebenfalls an der Studie beteiligt.

Die Veröffentlichung in Nature Communications berichtet nicht nur über die Details der Herstellung des Polymerknopfes und die entwickelte Methode zur Messung der Haftung von 2D-Materialien (insbesondere Graphen, hexagonales Bornitrid sowie Molybdändisulfid und Wolframdiselenid auf Siliziumdioxid- und Siliziumnitrid-Substraten), sondern zeigt auch, dass die Methode es ermöglicht, den Einfluss verschiedener Probenbehandlungen auf die Haftung zu bewerten, was wichtige Erkenntnisse für die weitere Optimierung liefert.

 

Bibliographische Angaben

J. Schätz, N. Nayi, J. Weber, C. Metzke, S. Lukas, J. Walter, T. Schaffus, F. Streb, E. Reato, A. Piacentini, A. Grundmann, H. Kalisch, M. Heuken, A. Vescan, S. & M. C. Lemme
Button shear testing for adhesion measurements of 2D materials
Nature Communications 15, 2430 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46136-8