Hochaufgelöste elektronenmikroskopische Aufnahme der Molybdänenoberfläche. Copyright: Sahu, T.K., Kumar, N., Chahal, S. et al., Nat. Nanotechnol. (2023)
Zweidimensionale Materialien wie Graphen faszinieren mit erstaunlichen Eigenschaften wie Supraleitung, außerordentlicher Festigkeit und exotischen Quantenphänomenen. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben nun gemeinsam mit Partnern des indischen Instituts für Technologie in Patna und der australischen Universität Newcastle ein besonderes Material dieser Art hergestellt: Molybdänen, das erste elementare, frei vorkommende 2D-Material mit metallischem Charakter.
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. Diese könnten im Bereich der Quantentechnologie bahnbrechende Innovationen ermöglichen.
Hitzeunempfindlich und mechanisch äußerst stabil
In den letzten Jahren kamen weitere 2D-Materialien wie Phosphoren oder Germanen hinzu. Sie weisen – wie Molybdänen – einige beeindruckende Eigenschaften auf. Doch letzteres unterscheidet sich noch in einigen weiteren Aspekten von anderen 2D-Materialien. „Viele 2D-Materialien sind empfindlich gegenüber Hitze, aber Molybdänen ist das nicht. Das ist auch das erste frei-stehende 2D-Metall dass man überhaupt synthetisieren konnte“, erklärt Prof. Ilia Valov vom Peter Grünberg Institut (PGI-7) des Forschungszentrums Jülich.
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 Grad Celsius zum Glühen brachten. In einer durch das elektrische Mikrowellenfeld getriebenen Reaktion bildeten sich fein verästelte Haarstrukturen, in denen die spitz zulaufenden Molybdänen-Schichten zu finden sind. Diese werden auch als „whiskers“ bezeichnet, was so viel wie „Schnurrbarthaare“ bedeutet.
In ersten Tests konnten die Wissenschaftler bereits eine Vielzahl nützlicher Eigenschaften beobachten. „Molybdänen ist mechanisch äußerst stabil. Es könnte etwa als Beschichtung für Elektroden eingesetzt werden, um Batterien noch leistungsstärker und widerstandsfähiger zu machen“, erläutert Ilia Valov. Die Forscher 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 chemischer Reaktionen interessant macht.
Erste praktische Anwendungen
In Zusammenarbeit mit dem indischen Institut für Technologie in Patna und der australischen Universität Newcastle konnten die Forscher 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 RAMAN-Spektroskopie (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.
Originalpublikation
Sahu, T.K., Kumar, N., Chahal, S. et al.
Microwave synthesis of molybdenene from MoS2
Nat. Nanotechnol. (2023). DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-023-01484-2
