Zweidimensionale Materialien
Two Dimensional Materials

In diesem Modul wir eine neue faszinierende Klasse von Festkörpern, die eine schnell wachsendes Forschungsfeld bilden, eingeführt: Zweidimensionale (2D) Materialien sind tatsächlich zweidimensionale Kristalle mit eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm. Starke kovalente chemische Bidnungen stabilisieren die Materialien in der Ebene, wohingegen die einzelnen Lagen durch die van der Waals Wechselwirkung schwach gebunden sind. Dennoch sind die Eigenschaften von 2D Festkörpern signifikant von der Lagenanzahl und der Wechselwirkung mit der Umgebung ums Susbtrat abhängig. Folgende Themen werden in diesem Modul näher beleuchtet:

• Historische und topologische Einführung zu 2D Materialien;
• Überblick, Klassifikation und charakteristische Eigenschaften der bekanntesten Familien von 2D Materialien
• Nanofabrikation- und Präparationsmethoden die für 2D Materialien geeignet sind;
• Nanoanalytical Methoden die insbesondere für die Untersuchung von 2D Materialien geeignet sind. Dabei enhalten sind Visibilitäskontrast, Ellipsometrie, Rasterkraft- und Rastertunnemikroskopie als auch Röntgenspektroskopie;
• Einführung in die Phononen und excitonischen Eigenschaften am Beispiel von Graphen und Übergangsmetalldichalcogenide (z.B. MoS₂);
• Diskussion über mögliche Anwednungen und Bauelemente von ausgewählten 2D materialien in den Bereichen Elektronik, Sensorik, Opto-/elektronik, Photovoltaik und Katalyse; 
• Vertiefungsthemen um spezielle Eigenschaften von ausgewählten Materialien näher einzuführen:

1. Relativistische Ladungsträger, Klein Tunneln und Quanten Hall Effekt in Graphene und dessen Rolle für das neue internationale Einheitssystem;
2. Quanten-Emitter;
3. Vielteilchen- und Korrelations-Effekte wie moiré Exzitonen und die Bose-Einstein-Kondensation;

Zusätzlich werden die Studierenden in das Arbeiten mit ausgewählten Forschungsarbeiten in 'high-impact' Fachzeitrischten wie Science, Nature und weiterer Literatur zu 2D Materialien herangeführt.

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

1. Die unterschiedlichen Klassen von 2D Materialien zu verstehen und das Klassifizierungsschema auf weitere 2D Festkörper anzuwenden;
2. Die Methoden zur Präparation und Nanofabrikation von 2D Materialien zu verstehen und zu bewerten, welche Methoden für neuartige Materialien geeignet sind;
3. Die Methoden zur optischen und strukturellen Charakterisierung von 2D Materialien zu beschreiben, ensprechende Resultate, die in der Literatur gezeigt sind zu differenzieren und geeignete Untersuchungsmethoden für neuartige 2D Materialien zu evaluieren;
4. die Raman Spektren von ausgewählten 2D Materialien zu interpretieren;
5. Magnetotransport Phänomene wie Quanten Hall Effekt in Graphene und Transporteigenschaften in Topologischen Isolatoren zuzuornden:
6. Absorptionsspektren, Exzitonische- und Spineigenschaften von Übergangsmetalldichalcogenide zu benennen und zu beurteilen;
7. Anwendungsbeispiele von 2D Materialien in den Bereichen Elektronik, Optoelektronik, Spintronik und solare Energieumwandlung zu benennen und zu beschreiben;
8. Die Inhalte von aktuellen wissenschaftlichen Publikationen, die in hochrangigen Fachzeitrischten zu ausgewählten Themen bzgl. 2D Materialien veröffentlich sind, zu extrahieren und zu evaluieren;

Es gibt keine weiteren Voraussetzungen, außer denen im Masterstudium verlangt.

Das Modul besteht aus einer thematisch strukturierten Vorlesung. In dieser werden durch Vorträge die Lerninhalte präsentiert, dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. Anknüpfungspunkte zur Aktuellen Forschungsaktivitäten werden durch das Einbinden und Diskutieren von aktuellen wissenschaftlichen Artikeln aus hochrangigen Fachzeitschriften realisiert. Die Studierenden werden motiviert sich aktiv an den Diskussionen zu den einzelnen Themen zu beteiligen, um das eigene Verständnis zur Thematik zu verbessern. In der Übung werden die Inhalte der Vorlesung anhand von aktuellen Publikationen weiter vertieft. Damit soll die Verwendung von aktuellen wissenschaftlichen Arbeiten eingeübt werden.

Powerpoint Präsentationen zusammen mit handschriftlichen Notizen mithilfe von Tablet-PC und Beamer ("e-chalk"); Ergänzende Literatur und wissenschaftliche Publikationen als PDF-Dateien;

Die Materialien werden bis zum Abschluss der Wiederholungsprüfung zum Download zur Verfügung getsellt.

• P.Y. Yu & M. Cardona: Fundamentals of Semiconductors, Springer, (2010)
• A.K. Geim & I.V. Grigorieva: Van der Waals Heterostructures, Nature 499, 419-425, (2013)

Es findet eine schriftliche Klausur von 90 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Nennen Sie Herstellungsmethoden von 2D Materialien.
• Erörtern Sie Charakterisierungsmethoden von 2D Materialien.
• Erklären Sie die (polarisierten) Photolumineszenz-Eigenschaften von halbleitenden 2D Materialien.
• Analysieren Sie den phononischen Fingerabrduck von Graphen anhand von ausgewählten Ramanspektren.
• Diskutieren Sie den Einfluss der Lagenzahl auf die optischen und mechanischen Eigenschaften von 2D Materialien.