de.wedoany.com-Bericht: Das Labor für fortschrittliche Kernenergiematerialien am Ningbo Institut für Materialtechnik und -technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat gemeinsam mit Teams der Zhejiang-Universität und des Yongjiang-Labors mithilfe einer „Chemischen Schere"-Unterschicht-Editierungsstrategie Lanthanid-Elemente in das MXene-Kristallgitter „eingebettet" und damit erstmals ein neuartiges zweidimensionales Material geschaffen, das sowohl Halbleiter- als auch ferromagnetische Eigenschaften besitzt – das Lanthanid-MXene-Material.
MXene sind eine Klasse von zweidimensionalen Übergangsmetallcarbiden, -nitriden oder Carbonitriden, die aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und einstellbaren Oberflächenchemie breite Anwendungsperspektiven in den Bereichen Energiespeicherung, elektromagnetischer Schutz, Katalyse und Sensorik bieten. Allerdings haben diese „Starspieler" auch Schwächen: Sie sind fast alle metallische Leiter, denen sowohl die für Halbleiter typische Bandstruktur als auch magnetische Ordnung fehlt. Dies schränkt die weitere Erweiterung des Materials in Richtung elektronischer Bauelemente und Spintronik ein.
Das Forschungsteam entdeckte, dass Lanthanid-Monohalogenide eine spezielle Schichtstruktur aufweisen, die der Unterschichtstruktur von MXene nach Entfernung der Kohlenstoffatomschicht ähnelt. Basierend auf der zuvor vorgeschlagenen „Chemischen Schere"-Unterschicht-Editierungsstrategie entwickelten sie einen neuen Syntheseweg – unter Ausnutzung der Unterschiede in den chemischen Eigenschaften der Unterschichten in Schichtverbindungen werden bestimmte Atomlagen entfernt, ersetzt oder umgebaut. Dies gleicht dem Zusammenbau von Lego-Steinen im atomaren Maßstab nach Bauplan.
Das Team entwarf eine zweistufige milde Reaktion. Im ersten Schritt werden Lanthanidmetalle mit Kupferhalogenid umgesetzt, um das benötigte Monohalogenid-Zwischenprodukt in situ herzustellen. Im zweiten Schritt reagiert das Zwischenprodukt bei hohen Temperaturen mit Graphitpulver in einer Art „gemeinsamen Tanz". Dabei „opfern" sich die lokalisierten Elektronen zwischen den Schichten des Zwischenprodukts aktiv und reduzieren die Kohlenstoffatome im Graphit zu vierwertigen Kohlenstoffanionen (C4-). Nach dem Elektronenverlust schwächt sich die ursprünglich durch Elektronen aufrechterhaltene Bindungskraft zwischen den Schichten ab, und die negativ geladenen Kohlenstoffanionen schieben sich gezielt zwischen die beiden Metallschichten, besetzen präzise die oktaedrischen Leerstellen und bilden schließlich eine völlig neue MXene-Kristallstruktur mit der Stapelfolge T-Ln-C-Ln-T.
Testergebnisse zeigen, dass das neue Material gleichzeitig die beiden Eigenschaften Halbleiter und Ferromagnetismus freischaltet. Diese Art von zweidimensionalem Material ist ein langfristig von der Spintronik angestrebtes Zielmaterial und birgt enormes Potenzial in Bereichen wie energieeffizienten Logikbauelementen, Hochfrequenzkommunikation, Magnetsensoren und sogar Quantencomputing. Die Synthesestrategie ist universell einsetzbar und könnte in Zukunft auf andere Übergangsmetalle ausgeweitet werden, um eine völlig neue Tür zur Bereicherung der Familie der zweidimensionalen Materialien zu öffnen.
