09.04.2021 - Argonne National Laboratory

Weniger als ein Nanometer dick, stärker und vielseitiger als Stahl

Wissenschaftler schaffen stabile Nanosheets mit Bor- und Wasserstoffatomen mit potenziellen Anwendungen in der Nanoelektronik und Quanteninformationstechnologie.

Was ist dünner als dünn? Eine Antwort sind zweidimensionale Materialien - exotische Materialien der Wissenschaft mit Länge und Breite, aber nur einem oder zwei Atomen in der Dicke. Sie bieten die Möglichkeit, die Leistung von elektronischen Geräten, Solarzellen, Batterien und medizinischen Geräten in nie dagewesener Weise zu steigern.

In Zusammenarbeit mit der Northwestern University und der University of Florida berichten Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) in der Zeitschrift Science über einen Durchbruch mit einem 2D-Material namens Borophan, einer Schicht aus Bor und Wasserstoff mit einer Dicke von nur zwei Atomen.

"Wir haben eine große Herausforderung gemeistert, indem wir die atomaren Strukturen mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie-Bildern und Computermodellierung auf der atomaren Skala bestimmt haben", sagt Maria Chan, Nanowissenschaftlerin am Center for Nanoscale Materials von Argonne.

Eine der aufregendsten Entwicklungen in der Materialwissenschaft der letzten Jahrzehnte war eine 2D-Schicht aus Kohlenstoff (Graphen), die ein Atom dick und 200 Mal stärker als Stahl ist. Ein ähnlich vielversprechendes und neueres Material ist eine atomdicke Schicht aus Bor, genannt Borophen - mit einem "e". Ein institutionenübergreifendes Team, zu dem auch Forscher des Argonne Center for Nanoscale Materials (eine DOE Office of Science User Facility) gehören, synthetisierte Borophen erstmals im Jahr 2015.

Während Graphen einfach eine Atomschicht aus den vielen gleichen Schichten im gemeinsamen Material Graphit ist, hat Borophen keine äquivalente Mutterstruktur und ist sehr schwierig herzustellen. Hinzu kommt, dass Borophen durch die schnelle Reaktion mit Luft sehr instabil ist und leicht seine Form ändert.

"Borophen allein hat alle möglichen Probleme", sagt Mark Hersam, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Northwestern University. "Aber wenn wir Borophen mit Wasserstoff mischen, wird das Produkt plötzlich viel stabiler und attraktiv für den Einsatz in den aufkeimenden Bereichen der Nanoelektronik und Quanteninformationstechnologie."

Das Forscherteam ließ Borophen auf einem Silbersubstrat wachsen und setzte es dann Wasserstoff aus, um das Borophan zu bilden. Anschließend entschlüsselten sie die komplexe Struktur des Borophans, indem sie ein Rastertunnelmikroskop mit einem auf Computer-Vision basierenden Algorithmus kombinierten, der theoretische Simulationen der Strukturen mit experimentellen Messungen vergleicht. Computer Vision ist ein Zweig der künstlichen Intelligenz, der Hochleistungscomputer darauf trainiert, die visuelle Welt zu interpretieren und zu verstehen.

Obwohl das Borophan-Material nur zwei Atome dick ist, ist seine Struktur aufgrund der vielen möglichen Anordnungen der Bor- und Wasserstoffatome recht komplex. "Wir haben eine große Herausforderung gemeistert, indem wir die atomaren Strukturen aus den Bildern der Rastertunnelmikroskopie und der Computermodellierung auf atomarer Ebene mit Hilfe von Computer Vision bestimmt haben", sagt Maria Chan, Nanowissenschaftlerin am Center for Nanoscale Materials in Argonne. Angesichts des Erfolgs bei der Enträtselung dieser komplexen Struktur sollte die automatisierte Analysetechnik des Teams in Zukunft auch bei der Identifizierung anderer komplexer Nanostrukturen einsetzbar sein.

"Was unsere Ergebnisse wirklich ermutigend macht, ist, dass wir festgestellt haben, dass ein Borophan-Nanoblech auf einem Silbersubstrat im Gegensatz zu Borophen recht stabil ist", sagt Pierre Darancet, Nanowissenschaftler am Argonne Center for Nanoscale Materials. "Das bedeutet, dass es leicht mit anderen Materialien in die Konstruktion neuer Geräte für die Optoelektronik integriert werden sollte, Geräte, die Licht mit Elektronik kombinieren." Solche lichtsteuernden und lichtemittierenden Geräte könnten in der Telekommunikation, in medizinischen Geräten und mehr eingesetzt werden.

"Diese Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt, um das unglaubliche Potenzial von Borophan als zweidimensionales Material für die Nanoelektronik zu realisieren", sagte Chan.

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