29.08.2019 - Tokyo Institute of Technology

Dünner geht's nicht: Synthese von atomar flachen Borschichten

Seit seiner Wiederentdeckung und Charakterisierung im Jahr 2004 steht Graphen im Mittelpunkt zahlreicher Forschungsarbeiten auf verschiedenen Gebieten. Es ist ein sehr vielseitiges Material, das aus einem zweidimensionalen (2D) Kohlenstoffnetzwerk besteht; mit anderen Worten, es besteht aus einer dünnen Kohlenstoffschicht, die eine Dicke von einem Atom aufweist. Graphen ist nicht nur stärker als die stärksten Stähle, sondern hat auch eine Vielzahl interessanter chemischer, elektronischer und mechanischer Eigenschaften, die die Wissenschaftler fragen lassen, ob ähnliche 2D-Netzwerke aus anderen Materialien solche nützlichen Eigenschaften haben könnten.

Ein neuartiges 2D-Material, von dem kürzlich berichtet wurde, ist Borophen, ein Analogon von Graphen, das jedoch aus Boratomen anstelle von Kohlenstoffatomen besteht. Wie man es von 2D-Schichten aus jedem Material erwarten würde, hat sich die Synthese von Borophen jedoch als schwierig erwiesen. Forscher benötigen entweder die Verwendung eines Substrats, um Borophen stabiler zu machen oder die Kopplung von Bor mit Hydroxylgruppen (OH-), wodurch die Struktur nicht atomar flach ist.

In einer kürzlich am Tokyo Institute of Technology durchgeführten Studie gelang es einem Forschungsteam um Tetsuya Kambe, Akiyoshi Kuzume und Kimihisa Yamamoto, atomar flache oxidierte Borophenschichten durch eine einfache lösungsbasierte Methode zu synthetisieren. Zunächst synthetisierten sie gestapelte Schichten von Borophenoxid in einem relativ einfachen Verfahren mit einem Kaliumborhydridsalz (KBH4). Eine Röntgenanalyse ergab die 2D-Schichtstruktur des Materials, bei der Schichten aus Boratomen, die ein hexagonales 2D-Netzwerk mit Sauerstoffatomen bilden, als Brücken mit kaliumatomenhaltigen Schichten interkaliert wurden. Dann war der nachfolgende notwendige Schritt, einen Weg zu finden, atomar dünne Schichten des Borophenoxid-Netzwerks zu exfolieren. Die Forscher erreichten dies, indem sie das Material in Dimethylformamid, einem häufig verwendeten organischen Lösungsmittel, einlegten. Verschiedene Arten von Messungen wurden durchgeführt, um die Struktur der abgeblätterten Schichten zu überprüfen, darunter Elektronenmikroskopie, Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie. Die Ergebnisse bestätigten, dass die vorgeschlagene Methode für die Herstellung der gewünschten atomar flachen oxidierten Borophenschichten wirksam war.

Schließlich führten die Forscher Widerstandsmessungen durch, um die leitenden Eigenschaften von gestapelten Borophenschichten zu analysieren und fanden eine interessante Eigenschaft, die als Anisotropie bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die Schichten je nach Richtung des Stromflusses unterschiedliche Leitfähigkeiten aufwiesen. Das Material verhielt sich in der Richtung zwischen den Ebenen wie ein Halbleiter, während es in der Richtung zwischen den Ebenen des Bordnetzes ein metallartiges Verhalten zeigte. Die Mechanismen hinter diesen beiden Arten von Leitungsverhalten wurden ebenfalls aufgeklärt. "Es ist wichtig zu beachten, dass unsere Borplatten unter Umgebungsbedingungen leicht zu handhaben sind", sagt Dr. Kambe und weist darauf hin, dass diese bahnbrechende Forschung die Grundlage für die Suche nach Einsatzmöglichkeiten von Borophen sein könnte.

Die Suche nach einfachen Methoden für die Synthese von Borophen und borphenbasierten Verbindungen ist entscheidend für die weitere Erforschung dieses interessanten Materials und seiner Einsatzmöglichkeiten. "Wie Graphen wird auch von Borophen erwartet, dass es einzigartige Eigenschaften aufweist, darunter außergewöhnliche mechanische Eigenschaften und metallisches Verhalten, die in einer Vielzahl von Bereichen genutzt werden können", sagt Dr. Kambe. Hoffentlich werden wir durch zukünftige Erkenntnisse und Entwicklungen bei 2D-Materialien in der Lage sein, ihre exotischen Eigenschaften zu nutzen und sie an unsere Bedürfnisse anzupassen.

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