Dünner als ein Nanometer, aber stärker als Stahl

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Wissenschaftler stabilisieren atomar dünnes Bor für praktischen Einsatz

US-Wissenschaftler haben Borophen entwickelt, stabile Nanoblätter aus Bor- und Wasserstoffatomen mit potenziellen Anwendungen in der Nanoelektronik und Quanteninformationstechnologie. Zweidimensionale Materialien – exotische Werkstoffe der Wissenschaft mit Länge und Breite, aber nur einem oder zwei Atomen in der Dicke – bieten die Möglichkeit, die Leistung von elektronischen Geräten, Solarzellen, Batterien und medizinischen Geräten in nie dagewesener Weise zu steigern.

Wahrscheinliche Kristallstrukturen von experimentell gewonnenen Borophenen: (a) β12-Borophen (auch bekannt als γ12-Folie oder υ1/6-Folie), (b) χ3-Borophen (auch bekannt als υ1/5-Folie), (c) gestreiftes Borophen – Grafik: Materials Research Letters (2017) CC BY 4.0, commons.wikimedia.org

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

Eine der aufregendsten Entwicklungen in der Materialwissenschaft der letzten Jahrzehnte war eine 2D-Schicht aus Kohlenstoff (Graphen), ein Atom dick und 200 Mal härter als Stahl. Ein ähnlich vielversprechendes und neueres Material ist eine atomdicke Schicht aus Bor, genannt Borophen. Ein institutionenübergreifendes Team 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 Borophen-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 mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie-Bildern und Computermodellierung auf atomarer Skala bestimmt haben,“ so Maria Chan vom ANL, Nanowissenschaftlerin am Center for Nanoscale Materials. Angesichts des Erfolgs bei der Enträtselung dieser komplexen Struktur sollte die automatisierte Analysetechnik des Teams in Zukunft auch bei der Identifizierung anderer komplexer Nanostrukturen anwendbar sein.

„Was unsere Ergebnisse wirklich ermutigend macht, ist die Feststellung, 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 den Bau neuer Geräte für die Optoelektronik integriert werden kann, 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“, so Chan.

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