2D-Kupferborid-Material hat atomare Struktur
US-Forscher sehen Anwendungspotenzial unter anderem in der Quanteninformationstechnologie
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Experimentell erstelltes 2D-Kupferborid-Material (Bild: Yakobson research group, rice.edu) |
Houston/Evanston (pte006/28.05.2025/06:15)
Ein neuartiges 2D-Kupferborid-Material mit einzigartiger atomarer Struktur haben Wissenschaftler der Rice University und der Northwestern University identifiziert. Ihre kürzlich in "Science Advances" publizierten Forschungsergebnisse bilden die Grundlage zur weiteren Erkundung einer weitgehend unerschlossenen Klasse von 2D-Materialien.
Überraschende Verbindung
Vor über zehn Jahren sagten Rice-Forscher voraus, dass Boratome zu fest an Kupfer haften würden, um Borophen zu bilden, ein flexibles, metallisches, zweidimensionales Material mit Potenzial für Elektronik, Energie und Katalyse. Die neuen Ergebnisse bestätigen diese Prognose - allerdings anders als erwartet. Im Gegensatz zu Systemen wie Graphen auf Kupfer, bei denen Atome ins Substrat diffundieren können, ohne eine eindeutige Legierung zu bilden, bildeten die Boratome in diesem Fall ein definiertes 2D-Kupferborid und somit eine neue Verbindung mit atomarer Struktur.
"Borophen ist immer noch ein Material am Rande der Existenz, und das macht jede neue Tatsache darüber wichtig, indem es die Grenzen unseres Wissens in Materialien, Physik und Elektronik erweitert", so der leitende Rice-Forscher Boris Yakobson. "Unsere erste theoretische Analyse warnte davor, dass Bor auf Kupfer zu stark binden würde. Jetzt, mehr als ein Jahrzehnt später, stellt sich heraus, dass wir Recht hatten - und das Ergebnis ist nicht Borophen, sondern etwas ganz anderes."
Bildgebung und Spektroskopie
In früheren Studien wurde Borophen erfolgreich auf Metallen wie Silber und Gold synthetisiert, aber Kupfer blieb ein offener Fall. Einige Experimente deuteten darauf hin, dass Bor auf Kupfer polymorphes Borophen bilden könnte, während andere darauf hinwiesen, es könne sich in Boride aufspalten oder in Massenkristallen nukleieren. Die Klärung dessen erforderte eine detaillierte Untersuchung, bei der hochauflösende Bildgebung, Spektroskopie und theoretische Modellierung kombiniert wurden.
"Was meine experimentell arbeitenden Kollegen zuerst sahen, waren reichhaltige Muster von Bildern mit atomarer Auflösung und Spektroskopie-Signaturen, die eine Menge harter Interpretationsarbeit erforderten", erklärt Yakobson. Dabei wurden eine periodische Zickzack-Superstruktur und unterschiedliche elektronische Signaturen festgestellt, die beide von bekannten Borophen-Phasen abweichen.
Zukunftsweisende Relevanz
Die hohe Übereinstimmung zwischen den experimentellen Daten und den theoretischen Simulationen führte zur Debatte über die Beschaffenheit des Materials, das sich an der Grenzfläche zwischen dem Kupfersubstrat und der vakuumnahen Umgebung der Wachstumskammer bildet. Obwohl Kupferborid nicht das Material war, das die Forscher herstellen wollten, bietet seine Entdeckung wichtige Erkenntnisse darüber, wie Bor mit Metallsubstraten in zweidimensionalen Umgebungen interagiert. Die Arbeit erweitert das Wissen über die Bildung von atomar dünnen Metallborid-Materialien auch für künftige Studien über verwandte Verbindungen, inklusive solcher mit technologischer Relevanz.
"2D-Kupferborid ist wahrscheinlich nur eines von vielen 2D-Metallboriden, die experimentell realisiert werden können. Wir freuen uns darauf, diese neue Familie von 2D-Materialien zu erforschen, die ein breites Anwendungspotenzial haben, das von der elektrochemischen Energiespeicherung bis zur Quanteninformationstechnologie reicht", resümiert Mitautor Mark Hersam von der Northwestern University.
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