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22-05-2020 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Article

Wie aus theoretischer Chemie ein 2D-Material entstand

Author:
Dieter Beste
3:30 min reading time

Ultradünne Materialien sind als Bausteine für nanoelektronische Bauelemente äußerst interessant: Schaltungen und andere komplexe Strukturen lassen sich herstellen, indem man 2D-Schichten – auch aus Polymeren – einfach in die gewünschten Formen bringt.

Graphen und andere zweidimensionale (2D) Materialien werden seit einiger Zeit unter Materialforschern und Werkstoffentwicklern als heiße Kandidaten für neuartige Anwendungen gehandelt: "Zu ihren einzigartigen Eigenschaften gehören leitende, halbleitende und isolierende elektronische Eigenschaften, exotische photonische Merkmale, eine große spezifische Oberfläche sowie eine hohe mechanische Festigkeit und Flexibilität", erläutern  Leonard W. T. Ng, Guohua Hu, Richard C. T. Howe, Xiaoxi Zhu, Zongyin Yang, Christopher G. Jone und Tawfique Hasan in ihrem Vorwort zu "Printing of Graphene and Related 2D Materials" das beträchtliche internationale Forschungsinteresse. So haben sich 2D-Materialien unter anderem als eine äußerst vielversprechende Materialplattform für die Entwicklung der Elektronik der nächsten Generation herauskristallisiert, berichten die Springer-Autoren. Dies gelte insbesondere für flexible und tragbare Geräte sowie für potenzielle Anwendungen im Bereich der Hochleistungs-Energiespeicherung und hochfester Verbundwerkstoffe. 

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Neben dem "2D-Statthalter" Graphen finden sich inzwischen immer häufiger auch 2D-Polymere in den Laboren der Materialforscher ein. Ultradünne Polymermaterialien stehen als Bausteine für nanoelektronische Bauelemente der nächsten Generation auf der Wunschliste der Entwickler. Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden, beschäftigt sich mit der Vorhersage solch innovativer Materialien. Ihre Eigenschaften kann er mit Hilfe moderner Methoden der Computerchemie präzise berechnen, noch bevor sie im Labor das Licht der Welt erblicken. So hat er 2019 zusammen mit seinem Team topologische 2D-Polymere vorhergesagt. 

Schon wenige Monate später konnten jetzt solche Materialien von einem italienischen Forscherteam synthetisiert und deren topologische Eigenschaften experimentell nachgewiesen werden; die Wissenschaftler berichten über ihre Ergebnisse in "Nature Materials". Parallel dazu beschreiben Heine und sein Kollege Yu Jing von der Nanjing Forestry University, Nanjing, China, unter dem Titel "Making 2D Topological Polymers a reality" wie aus Theorie Praxis wurde. 

Two-dimensional polymers are sheet-like, covalently bonded molecular networks that extend in exactly two dimensions. The ultimate goal in fabricating novel 2D polymeric materials is motivated by a potentially limitless range of structures with unprecedented properties, which can be created. In these organic analogs of graphene, the band gap and the charge carrier mobility may be tuned by using specifically designed molecular building blocks." Sabine Maier, "On-Surface Synthesis II", Seite 179.

Für 2D-Polymere können aus der schier unendlichen Vielfalt ebener organischer Moleküle jene ausgewählt werden, die aufgrund ihrer Struktur als Bausteine für bestimmte Gittertypen geeignet sind. Ein besonders interessantes Beispiel ist nach Ansicht der Autoren das Kagome-Gitter, das aus den Eckpunkten und Kanten einer trihexagonalen Kachelung besteht. Yu Jing und Thomas Heine schlugen 2019 vor, solche 2D-Polymere aus dreieckigen organischen Molekülen (sogenannten Triangulenen) zu synthetisieren. Diese Materialien haben eine kombinierte Honigwaben-Kagome-Struktur (siehe Abbildung). Die Berechnungen zeigen, dass sie die Eigenschaften von Graphen (quasi masselose Ladungsträger) mit denen von Supraleitern (flache elektronische Bänder) vereinen.

2D-Honigwaben-Kagome-Polymer

Der italienische Materialwissenschaftler Giorgio Contini konnte jetzt mit einem internationalen Team dieses 2D-Honigwaben-Kagome-Polymer synthetisieren. Mit einer innovativen Synthesemethode haben die Forscher Kristalle von solch hoher Qualität hergestellt, dass sie zur experimentellen Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften geeignet waren. Und tatsächlich wurden die von Thomas Heine vorhergesagten faszinierenden topologischen Eigenschaften offenbar. "Diese Ergebnisse zeigen, dass 2D-Polymere Materialien mit nützlichen elektronischen Eigenschaften sein können", kommentiert Heine die Ergebnisse der Forschergruppe um Contini. Und er weist ausdrücklich auf ein weiteres Ergebnis der Forschungsarbeit hin, das für die Praxis relevant ist: "Obwohl die 2D-Polymere auf einer Metalloberfläche hergestellt wurden, können sie abgelöst und auf jedes andere Substrat, wie Siliziumoxid oder Glimmer, übertragen und somit in elektronische Bauelemente eingebaut werden."
 

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