Japanischen Forschern ist es gelungen, ein neuartiges Van-der-Waals-Oxid, 2H-NbO₂, zu synthetisieren, das elektronische Eigenschaften aufweist, die stark mit zweidimensionaler Flexibilität korrelieren. Die Forschung wurde von Assistenzprofessor Takuto Soma, außerordentlichem Professor Kohei Yoshimatsu, Professor Akira Ohtomo und der Doktorandin Aya Sato vom Tokyo Institute of Science in Zusammenarbeit mit Professor Hiroshi Kumigashira von der Universität Tohoku geleitet.

Das Forschungsteam extrahierte Lithiumionen chemisch aus LiNbO₂-Schichtflocken und wandelte das dreidimensionale Oxid in ein zweidimensionales Material um. Dadurch wurden einzigartige Eigenschaften wie Mott-Isolation und Supraleitung freigesetzt. Diese Entdeckung verbindet die Forschungsfelder der Übergangsmetalloxide und zweidimensionalen Materialien und eröffnet einen neuen Weg zur Realisierung fortschrittlicher Quantenmaterialien in elektronischen Geräten der nächsten Generation.

Zweidimensionale Materialien sind zu einer wichtigen Grundlage für die Elektronikforschung der nächsten Generation geworden. Ihre Schichten sind durch schwache Van-der-Waals-Kräfte verbunden, was ihnen einzigartige Quanteneigenschaften und vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten verleiht. Übergangsmetalloxide sind jedoch aufgrund ihrer inhärenten starken ionischen Bindungseigenschaften in zweidimensionalen Materialanwendungen noch nicht vollständig erforscht.

Soma betonte: „Durch die Synthese von 2H-NbO₂ haben wir ein stark korreliertes Van-der-Waals-Oxid erhalten, das sowohl die Eigenschaften von Übergangsmetalloxiden als auch von zweidimensionalen Materialien aufweist.“ Das Forschungsteam verfolgte eine einzigartige chemische Strategie und verwendete nanoskalige LiNbO₂-Filme, um durch eine starke Oxidationsreaktion bei hohen Temperaturen eine selektive Entfernung von Lithiumionen zu erreichen, wodurch eine 2H-artige Schichtstruktur mit einem hexagonalen Wabenmuster entstand.

Erweiterte Analysen von 2H-NbO₂ bestätigten, dass das Material ein korrelierter Isolator ist, hauptsächlich aufgrund seiner halbgefüllten Einelektronen-Bandstruktur. Diese elektronische Struktur führt zu einer starken Elektronenabstoßung, was selbst in Gegenwart von Nb 4d-Elektronen zu isolierendem Verhalten führt. Die Forscher beobachteten stark korrelierte Systemeigenschaften wie Metall-Isolator-Übergang, Supraleitung und Nicht-Fermi-Flüssigkeitsverhalten während der partiellen Lithium-Insertion und -Extraktion.

„Die Bedeutung liegt in der Verbindung zweier Forschungsfelder, die sich bisher unabhängig voneinander entwickelt haben: korrelierte Oxide und zweidimensionale Materialien“, erklärt Soma. „Unsere Entdeckung enthüllt einen neuen Typ zweidimensionalen Quantenmaterials, das starke Elektronenkorrelationen mit der strukturellen Flexibilität von Van-der-Waals-Verbindungen kombiniert.“

Diese Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht und werden voraussichtlich breite Anwendung in Quantenmaterialien, elektronischen Geräten der nächsten Generation und der nachhaltigen Materialwissenschaft finden. Dieser Durchbruch eröffnet eine neue synthetische Strategie zur Entwicklung neuer zweidimensionaler Materialien mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften.

Weitere Informationen: Aya Sato et al., Strongly Correlated Van der Waals Oxides: 2H-NbO2, ACS Nano (2025). Zeitschrifteninformationen: ACS Nano