Zweidimensionale Materialien wie Graphen faszinieren mit erstaunlichen Eigenschaften. Wie das Forschungszentrum Jülich mitteilt, haben Jülicher Forschende nun gemeinsam mit Partnern des indischen Instituts für Technologie in Patna und der australischen Universität Newcastle ein besonderes Material dieser Art hergestellt, das einen metallischen Charakter aufweist. Es besteht aus einer Schicht aus Molybdänatomen, die gerade einmal eine Atomlage dünn ist, und wird auch als Molybdänen bezeichnet.
Den Wissenschaftlern gelang es, aus dem Metall Molybdän eine Schicht zu fertigen, die gerade einmal eine Atomlage dünn ist. Das neue Material ist somit ähnlich dünn wie Graphen, das wohl bekannteste 2D-Material. Letzteres besteht aus Kohlenstoff und wurde erstmals im Jahr 2004 isoliert. Die Entdeckung erregte großes Aufsehen, weil Graphen Strom und Wärme weitaus besser leitet als Kupfer und dabei hundertmal stabiler ist als Stahl. Gleichzeitig ist es außergewöhnlich leicht und flexibel. Aufgrund seiner besonderen 2D-Struktur weist Graphen zudem einige ungewöhnliche elektromagnetische Effekte auf, die im Bereich der Quantentechnologie bahnbrechende Innovationen ermöglichen könnten.
In den letzten Jahren kamen weitere 2D-Materialien wie Phosphoren oder Germanen hinzu. Sie weisen – wie Molybdänen – einige beeindruckende Eigenschaften auf, wobei sich letzteres noch in einigen Aspekten von anderen 2D-Materialien unterscheidet. Viele 2D-Materialien sind nach Aussage von Prof. Ilia Valov vom Peter Grünberg Institut (PGI-7) des Forschungszentrums Jülich, empfindlich gegenüber Hitze, aber Molybdänen ist das nicht. Das sei auch das erste freistehende 2D-Metall, dass man überhaupt synthetisieren konnte, so Prof. Valov.
Die Forschenden erzeugten das neue 2D-Material mithilfe einer Mikrowelle, in der sie eine Mischung aus Molybdänsulfid (MoS2) und Graphen bei einer Temperatur von rund 3000 °C zum Glühen brachten. In einer durch das elektrische Mikrowellenfeld getriebenen Reaktion bildeten sich fein verästelte Haarstrukturen, in denen die spitz zulaufenden Molybdänenschichten zu finden sind. Diese werden auch als whiskers bezeichnet, was so viel wie Schnurrbarthaare bedeutet.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen der haarförmigen Strukturen, die auch als whiskers bezeichnet werden und die dünnen Molybdänenschichten enthalten (©T. K. Sahu, N. Kumar, S. Chahal et al., https://doi.org/10.1038/s41565-023-01484-2)
In ersten Tests konnten die Wissenschaftler bereits eine Vielzahl nützlicher Eigenschaften beobachten. Molybdänen ist Ilia Valov zufolge mechanisch äußerst stabil. Es könnte etwa als Beschichtung für Elektroden eingesetzt werden, um Batterien noch leistungsstärker und widerstandsfähiger zu machen. Die Forschenden vermuten, dass das Material wegen seiner besonderen 2D-Struktur weitere exotische elektronische Eigenschaften besitzt, ähnlich wie Graphen. Aufgrund seines metallischen Charakters verfügt es außerdem über frei bewegliche Elektronen. Diese sammeln sich auf den beiden Seitenflächen des Molybdänens an, was das Material als Katalysator zur Beschleunigung von chemischen Reaktionen interessant macht.
Hochaufgelöste elektronenmikroskopische Aufnahme der Molybdänenoberfläche (©T. K. Sahu, N. Kumar, S. Chahal et al., https://doi.org/10.1038/s41565-023-01484-2)
In Zusammenarbeit mit dem indischen Institut für Technologie in Patna und der australischen Universität Newcastle konnten die Forschenden bereits eine praktische wissenschaftliche Anwendung für Molybdänen erschließen. Aufgrund seiner Stabilität sowie seiner hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit eignet es sich ideal als Messspitze für die Rasterkraftmikroskopie (AFM) und die oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (SERS). Erste Probeaufnahmen zeigen, dass Molybdänen gegenüber etablierten Materialien verschiedene Vorteile bietet und mit seiner dünnen, flachen Form besonders gut vor ungewünschten Störsignalen schützen kann.
Kontakt:
Prof. Dr. Ilia Valov, E-Mail: i.valov@fz-juelich.de
Originalpublikation
T. K. Sahu, N. Kumar, S. Chahal, et al: Microwave synthesis of molybdenene from MoS2; Nat. Nanotechnol. (2023), https://doi.org/10.1038/s41565-023-01484-2
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Text zum Titelbild: In der Mikrowelle entstehen haarförmige Strukturen aus Molybdänen (rechts) (©T. K. Sahu, N. Kumar, S. Chahal et al., https://doi.org/10.1038/s41565-023-01484-2)
