Künstliche 2D-Materialien
Künstliche 2D-Materialien, Bild: The University of Manchester
Ein Forscherteam des National Graphene Institute an der University of Manchester hat eine neue Methode entwickelt, um 2D-Materialien zu synthetisieren, die mit den heutigen Technologien als unmöglich oder zumindest unerreichbar gelten.
Graphen war das erste zweidimensionale Material der Welt, das später die Tore für die Isolierung anderer zweidimensionaler Materialien öffnete.
Graphen und andere 2D-Materialien haben in der Regel ein 3D-Pendant, das als „Bulk-Analog“ bezeichnet wird. Zum Beispiel ist Graphen eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, die von Graphit abgeleitet ist.
In letzter Zeit gibt es ein wachsendes Interesse an der Herstellung von synthetischen 2D-Materialien, die kein geschichtetes Bulk-Analogon haben. Forscher haben begonnen, sich 2D-Materialien anzusehen, die kein 3D-Pendant haben.
Traditionell werden 2D-Materialien durch einen Prozess isoliert, der als mechanische Exfoliation bezeichnet wird – die Aufnahme des Schüttgutes und das Exfoliieren der Schichten voneinander, bis eine einzige Schicht erreicht ist.
Im Gegensatz zu diesen geschichteten Kristallen werden Materialien ohne geschichtete Strukturen durch kovalente Bindungen zwischen den Atomebenen zusammengehalten, die eine mechanische Exfoliation nicht zulassen.
Wie in Nano Letters veröffentlicht, konnte das Team der Universität durch chemische Umwandlung Schichten aus bestehenden Schichtmaterialien in ein neues kovalentes zweidimensionales Material umwandeln. So wird beispielsweise mechanisch exfoliertes 2D-Indiumselenid (InSe) in atomar dünnes Indiumfluorid (InF3) umgewandelt, das eine ungeschichtete Struktur aufweist und daher durch Exfoliation, durch ein Fluorierungsverfahren, unmöglich zu erhalten ist.
“Wir glauben, dass unsere Arbeit einen bedeutenden Fortschritt in der Materialwissenschaft darstellt und einen klaren Meilenstein in der Entwicklung von künstlichen 2D-Materialien darstellt.„
Professor Rahul Nair
Tatsächlich ist die vorgeschlagene Strategie der chemischen Umwandlung von 2D-Material nichts anderes als das Zusammennähen von Atomlagen aus bestehenden 2D-Materialien durch chemische Modifikation.
Das erhaltene neue 2D-Indiumfluorid ist ein Halbleiter, der eine hohe optische Transparenz über den sichtbaren und infraroten Spektralbereich aufweist und möglicherweise als 2D-Glas verwendet werden könnte.
Professor Rahul Nair vom National Graphene Institute and Department of Chemical Engineering and Analytical Science, der das Team leitete, sagte: „Die chemische Modifikation von Werkstoffen hat sich als wirksames Werkzeug erwiesen, um neue Werkstoffe mit gewünschten und oft ungewöhnlichen Eigenschaften zu erhalten. Es sind noch weitere Arbeiten erforderlich, um die chemische Umwandlung von 2D-Materialien auf atomarer Ebene zu verstehen, einschließlich der Auswirkungen der relativen Orientierung und Synergie zwischen den einzelnen Atomschichten auf ihre chemische Reaktivität. Wir glauben, dass unsere Arbeit einen bedeutenden Fortschritt in der Materialwissenschaft darstellt und einen klaren Meilenstein in der Entwicklung künstlicher 2D-Materialien darstellt.“
Vishnu Sreepal, der die Experimente leitete und der Hauptautor dieses Papiers sagte: „Unsere Arbeit zeigt deutlich die Möglichkeit, künstliche kovalente 2D-Materialien herzustellen. Der Prozess ist kontrollierbar, einfach durchzuführen und sehr effektiv. Durch die präzise Steuerung der Dicke der Ausgangs-2D-Schichten kann die Dicke der neuen kovalenten 2D-Materialien mit atomarer Genauigkeit gesteuert werden. Das neue kovalente 2D-Material kann auch kontrolliert mit Dotierstoffen“ dotiert werden.
„Wir demonstrieren auch die Skalierbarkeit unseres Ansatzes durch chemische Umwandlung von großflächigen, dünnen InSe-Filmen in InF3-Filme“. Darüber hinaus sieht das Team die Möglichkeit, diese chemische Umwandlung auf Van-der-Waals-Heterostrukturen auszudehnen, um künstliche hetero-covalente Feststoffe zu erhalten.
Durch die Schichtung von Atomen in einer genau gewählten Reihenfolge, den sogenannten Heterostrukturen, können Designermaterialien mit bestimmten Eigenschaften entstehen, die nicht natürlich vorkommen und bestimmte Eigenschaften aufweisen. Forscher montieren diese neuen Materialien in anwendungsrelevanten Sequenzen, ähnlich wie beim Stapeln von Legosteinen. Durch den Nachweis der Möglichkeit von kovalenten 2D-Feststoffen haben die Forscher nun mehr „Legos“ auf ihrem Spielplatz, um neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu entwickeln.
Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Antwerpen, Belgien, der Universität Nottingham, der National Academy of Sciences of Ukraine und dem Izmir Institute of Technology, Türkei, durchgeführt.
Advanced Materials ist einer der Forschungsschwerpunkte der University of Manchester – Beispiele für bahnbrechende Entdeckungen, interdisziplinäre Zusammenarbeit und branchenübergreifende Partnerschaften, die einige der größten Fragen des Planeten aufgreifen.
Meldung und Bilder von der University of Manchester Übersetzung: Institut für seltene Erden und Metalle
