30.08.2021 - Northwestern University

Erstmals Doppelschicht aus Borophen erschaffen

Neues Material bewahrt die elektronischen Eigenschaften von Borophen und bietet neue Vorteile

Zum ersten Mal haben Ingenieure der Northwestern University eine Doppelschicht aus atomar flachem Borophen hergestellt - ein Kunststück, das der natürlichen Tendenz von Bor zur Bildung nicht-planarer Cluster jenseits der einatomigen Schichtgrenze widerspricht.

Obwohl Borophen für seine vielversprechenden elektronischen Eigenschaften bekannt ist, ist die Synthese von Bor - einer ein Atom dicken Schicht aus Bor - eine Herausforderung. Im Gegensatz zu seinem analogen zweidimensionalen Vorbild Graphen, das sich mit etwas so Einfachem wie Tesafilm aus dem von Haus aus geschichteten Graphit abziehen lässt, kann Borophen nicht einfach aus der Masse des Bors abgeschält werden. Stattdessen muss Borophen direkt auf ein Substrat gezüchtet werden.

Und wenn es schon schwierig war, eine Schicht zu erzeugen, so schien es unmöglich, mehrere Schichten von atomar flachem Borophen zu erzeugen. Da Bulk-Bor nicht wie Graphit geschichtet ist, führt das Wachstum von Bor über einzelne Atomlagen hinaus eher zu Clusterbildung als zu ebenen Schichten.

"Wenn man versucht, eine dickere Schicht zu erzeugen, will das Bor seine Volumenstruktur annehmen", sagt Mark C. Hersam von Northwestern, Mitautor der Studie. "Anstatt atomar flach zu bleiben, bilden dickere Borschichten Partikel und Cluster. Der Schlüssel war, Wachstumsbedingungen zu finden, die die Bildung von Clustern verhindern. Bis jetzt dachten wir, dass man nicht über eine Schicht hinausgehen kann. Jetzt sind wir in das unerforschte Gebiet zwischen der einzelnen Atomschicht und der Masse vorgedrungen, was uns eine neue Spielwiese für Entdeckungen eröffnet."

Hersam ist Walter P. Murphy Professor für Materialwissenschaft und -technik an der McCormick School of Engineering und Direktor des Materials Research Science and Engineering Center. Außerdem ist er Mitglied des Northwestern International Institute for Nanotechnology und des Simpson Querrey Institute. Hersam leitete die Arbeit gemeinsam mit Boris Yakobson, dem Karl F. Hasselmann Chair in Engineering an der Rice University.

Vor fünf Jahren haben Hersam und seine Mitarbeiter zum ersten Mal Borophen hergestellt. Stärker, leichter und flexibler als Graphen, hat Borophen das Potenzial, Batterien, Elektronik, Sensoren, Solarzellen und Quantencomputer zu revolutionieren. Obwohl die theoretische Forschung voraussagte, dass eine Doppelschicht aus Borophen möglich sei, waren viele Forscher, darunter auch Hersam, nicht überzeugt.

"Es ist eine Herausforderung, ein neues Material herzustellen, selbst wenn die Theorie es vorhersagt", sagte Hersam. "Die Theorie sagt selten etwas über die synthetischen Bedingungen aus, die erforderlich sind, um diese neue Struktur zu erreichen.

Der Schlüssel zu den richtigen Bedingungen, so entdeckte Hersams Team, war das Substrat, das für das Wachstum des Materials verwendet wurde. In der Studie züchteten Hersam und seine Kollegen Borophen auf einem flachen Silbersubstrat. Wenn das Silber sehr hohen Temperaturen ausgesetzt wurde, bildete es außergewöhnlich flache, große Terrassen zwischen Büscheln von Stufen auf atomarer Ebene.

"Als wir Borophen auf diesen großen, flachen Terrassen wachsen ließen, sahen wir, wie sich eine zweite Schicht bildete", so Hersam. "Nach dieser zufälligen Beobachtung konzentrierten wir unsere Bemühungen absichtlich in diese Richtung. Wir haben nicht nach der zweiten Schicht gesucht, als wir sie gefunden haben. Viele Materialentdeckungen geschehen auf diese Weise, aber man muss die Chance erkennen, wenn man über etwas Unerwartetes stolpert."

Das zweischichtige Material behielt alle wünschenswerten elektronischen Eigenschaften von Borophen bei und bietet gleichzeitig neue Vorteile. So besteht das Material aus zwei atomar dicken Schichten, die mit einem Zwischenraum miteinander verbunden sind, der für die Speicherung von Energie oder Chemikalien genutzt werden könnte.

"Es gibt theoretische Vorhersagen, dass zweischichtiges Borophen ein vielversprechendes Material für Batterien ist", so Hersam. "Der Raum zwischen den Schichten bietet Platz für Lithium-Ionen".

Hersams Team hofft, dass andere Forscher nun dazu inspiriert werden, noch dickere Borophenschichten zu erzeugen oder Doppelschichten mit anderen Atomgeometrien herzustellen.

"Diamanten, Graphit, Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren basieren alle auf einem Element (Kohlenstoff) mit unterschiedlichen Geometrien", sagte Hersam. "Bor scheint genauso viele Möglichkeiten zu bieten wie Kohlenstoff, wenn nicht sogar noch mehr. Wir glauben, dass wir uns noch in den ersten Kapiteln der zweidimensionalen Bor-Saga befinden."

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