TUD-X: Towards Applications of 2D Materials

Layered materials such as graphite consist of stacked atomic layers that are only weakly bound together. Isolating a single such layer produces a two-dimensional (2D) solid featuring exceptional properties. Research into these materials has exploded since the first realization of graphene, a single layer of graphite, in 2004. Reduction to one atomic layer results in a plethora of novel phenomena that do not exist in conventional three-dimensional materials. Potential applications abound, 2D materials are expected to revolutionize a wide range of technologies in the coming years. In the doctoral college TU-DX, we will tailor the properties of 2D materials via defect engineering to address three application goals where 2D materials excel: solar energy conversion, 2D nanoelectronics, and biosensors. Since 2D systems lie at the crossroads of solid state physics, molecular chemistry, and materials science, future leadership in nanotechnology requires expertise that transcends the traditional boundaries between disciplines. In TU-DX, we establish a new, research-driven PhD student education program on 2D materials to ensure our students acquire the necessary, diverse skillset. The program encompasses the four key areas of nanotechnology: synthesis, characterization, simulation, and application. The comprehensive TU-DX PhD program builds on the success of our TU Wien doctoral college TU-D. A joint supervision model teams students up with leading experts with complementary expertise working on PhD projects designed to foster collaborative research. A thesis advisory committee consisting of experts from each of the four areas guides each project, ensuring its position at the forefront of the latest developments in the field. The comprehensive training program encompasses a lecture series on the fundamentals in the four key areas, a seminar series, international secondments, project works, an annual retreat, and soft skills training. TU Wien is the natural host of TU-DX as 2D systems perfectly align with strategic research areas at our university. Our academic staff includes leading experts and rising stars from three faculties (Physics, Chemistry and Electrical Engineering) with complementary skills. With the present proposal, we will establish TU Wien as the leading center for research on 2D materials in Austria. In a nutshell, TU-DX provides the PhD students with a unique PhD experience at the forefront of research on low-dimensional materials, pushing the limits of current methods. We will educate well-rounded researchers with the skillset in this rapidly growing field to embark on successful careers in academia or industry.

Völlig neue Phänomene werden mit 2D-Materialien möglich – sie sind das zentrale Thema des Doktoratskollegs „TU-D“ an der TU Wien, das jetzt mit Finanzierung des FWF weitergeführt wird.

Ein Material, das nur aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht, hat keine klar definierbare Dicke – man spricht in diesem Fall daher von „2D-Materialien“. Erstmals hergestellt wurden sie im Jahr 2004, im Jahr 2010 wurde dafür der Physik-Nobelpreis vergeben. An der TU Wien wird seit Jahren an solchen Materialien geforscht – sowohl an ihren theoretischen Grundlagen als auch an ihren technologischen Anwendungen. 

Mit der Förderung des Doktoratskollegs „TU-D“ durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF kann die Forschung und Ausbildung in diesem Bereich nun weiter ausgebaut werden. Dabei handelt es sich um ein sehr interdisziplinäres Doktoratskolleg: die Fakultäten für Physik, Technische Chemie sowie Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien werden eng miteinander kooperieren.

Mehr als nur Graphen

Es begann mit Kohlenstoff: Das erste 2D-Material war Graphen, eine Schicht aus wabenförmig angeordneten Kohlenstoff-Atomen. Graphen ist für viele Anwendungen interessant – sowohl seine mechanischen als auch seine elektronischen Eigenschaften sind höchst ungewöhnlich. Mittlerweile sind aber auch noch andere 2D-Materialien entdeckt worden, man kann sie auch sandwichartig aufeinanderschichten, um sogenannte Heterostrukturen zu erzeugen, die wieder andere Eigenschaften aufweisen.

„Anwendungsmöglichkeiten für solche 2D-Materialien gibt es viele“, sagt Prof. Florian Libisch vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien – er ist Koordinator des neuen Doktoratskollegs. „2D-Materialien haben das Potenzial, ganze Technologiebereiche zu revolutionieren. In unserem Doktoratskolleg wollen wir besonders ihren Einsatz für Photovoltaik, Nanoelektronik und Biosensorik erforschen.“

Schon 2016 startete die TU Wien das Doktoratskolleg „TU-D“ zum Thema 2D-Materialien. Der Wissenschaftsfonds FWF fördert nun gezielt Doktoratskollegs, die von österreichischen Universitäten bereits mit Erfolg etabliert wurden. Im Rahmen dieser Förderung kann „TU-D“ nun ausgebaut werden: Insgesamt sollen in den nächsten 4 Jahren etwa 30 neue Doktorand_innen in TU-D ausgebildet werden - 10 davon werden direkt vom FWF im Rahmen des nun geförderten Antrags gezahlt. Entsprechende Stellenausschreibungen wird es ab Frühjahr 2023 geben.