Wellblech, Chromstahl

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Auch Phosphor kann einlagig! Forscher aus Großbritannien haben jüngst extrem dünne Bänder aus reinem schwarzem Phosphor hergestellt. Diese Bänder waren wahrhaft Nano und nur unter dem Elektronenmikroskop zu entdecken: wenige Millionstel Millimeter breit, ein paar Tausendstel Millimeter lang und teilweise nur bis zu einer einzigen Lage von Phosphoratomen dick. Die Bänder waren nicht flach, sondern höckerförmig gewellt, wie Streifen eines Nanowellblechs. Die Wellblechstreifen-Form wirft eine interessante Anwendung auf: Sie könnten vielleicht Nano-Leitungsbänder für elektrischen Strom werden, schreiben die Autoren in ihrem Artikel, der am 10. April in der Fachzeitschrift Nature erschienen ist (https://doi.org/10.1038/s41586-019-1074-x).

Der Hintergrund: Zweidimensionale Materialien

Sehr dünne Materialien werden zweidimensional genannt, denn sie erstrecken sich nur in der Länge und Breite, nicht in der Höhe. Das bekannteste zweidimensionale Material ist Graphen. Es besteht aus nur einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, die ein vollkommen flaches, wabenförmiges, im Prinzip unendliches Gitter bilden. Zweidimensionalen Materialien haben oft bemerkenswerte Eigenschaften: Man kann sich vorstellen, dass elektrischer Strom sich blitzschnell auf dieser Fläche ausbreiten kann, sofern genügend leitende Elektronen vorhanden sind. Graphen selbst ist enorm leitfähig, dabei nahezu transparent, überraschend stabil und gleichzeitig biegsam.

Graphen wurde 2004 entdeckt, und seither suchen Materialwissenschaftler, Physiker und Chemiker nach immer neuen interessanten zweidimensionalen Materialien. Gefunden wurden eine Reihe von Verbindungen von verschiedenen Atomsorten: Sehr intensiv untersucht werden zum Beispiel dünnes Molybdänsulfid, das aus den Atomen des Schwermetalls Molybdän und aus Schwefel zusammengesetzt ist, und Bornitrid, das eine Verbindung aus den Elementen Bor und Stickstoff ist. Als einzelne Schicht ist Molybdänsulfid ein Halbleiter, als normales “dickes” Material nicht. Bornitrid bildet eine Form, die nach Diamant das zweithärteste bekannte Material darstellt. Einschichtiges Bornitrid bildet ähnliche wabenförmige Netze wie Graphen aus, leitet aber den elektrischen Strom nicht. Dafür aber Wärme.

“Reine” zweidimensionale Materialien außer Graphen, die ein echtes, selbsttragendes Gitternetz bilden, konnte bislang noch niemand herstellen. Und nun aber Phosphor.

Immer wieder Phosphor

Das Element Phosphor erlebt seit einiger Zeit eine Art Renaissance. Das Element wurde im 17. Jahrhundert vom Alchemisten Henning Brand entdeckt, und zwar als eine wachsartige, weiße, entzündliche, im Dunkeln leuchtende und stark giftige Substanz. Phosphor bildet aber außer diesem weißen Phosphor noch andere Formen, die ungiftig sind: roten, violetten und schwarzen Phosphor.

Schwarzer Phosphor ein Halbleiter und somit als Material für alle elektronischen Schalteinrichtungen, einschließlich der Photovoltaik, interessant. Und er ist schuppig, wie Graphit. Je weniger Schichten vom schwarzen Phosphor, desto kleiner wird die elektronische Bandlücke des Halbleiters, das heißt, desto eher wird dieses Material zum Leiter. Wie wird sich also eine einzelne Lage Phosphor verhalten, echtes Phosphoren?

Den meisten Forschern gelang es bislang nicht, Phosphoren als freitragende Schicht herzustellen. In der Zeitschrift Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-019-1074-x) beschreiben Mitchell Watts, der zur Zeit Doktorand bei bei Christopher A. Howard am University College in London ist, und Kollegen von der University of Bristol und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz jetzt aber, wie sie lange Bänder aus schwarzem, wenige Lagen zählendem Phosphor herstellen. Damit ist die Bahn frei für die Erforschung der Eigenschaften dieses Materials.

Phosphoren: Das Wellblech

Interessant ist die richtungsabhängige Leitung von Phosphoren: Anders als Graphen ist Phosphoren nicht absolut eben, sondern gewellt. Immer sechs Phosphoratome bilden eine Art Sessel, und deren unendliche Abfolge sieht aus wie ein Wellblech. Und längs dieser Wellen können Ladungen mit hoher Beweglichkeit laufen.Die Bahnen könnte man sich wie Kanäle vorstellen, Leitungsbahnen. Die Forscher stellten nun extrem dünne Nanobänder her: wenige Nanometer breite und bis zu Dutzende Mikrometer lange Streifen aus möglichst wenige Lagen zählendem Phosphoren.

Die Methode: Erst ließen sie Lithiumionen zwischen Schichten aus schwarzem Phosphor einwandern. Die Ionen liefen den Wellen nach und rissen dann die Schichten wie ein Reißverschluss auseinander. Ablösen und isolieren ließen sich die Streifen dann durch Schütteln in einem speziellen Lösungsmittel. Unter dem Elektronenmikroskop waren lange gerade oder geknickte Bänder zu sehen.

Auf Kohlenstoff

Die Bänder rollten sich nicht auf. Als lange, dünne Streifen streckten sie sich in getrockneter Form über einen Graphitfilm aus, wie er die Netzchen eines Elektronenmikroskops bedeckt. Häufig allerdings drehten sie sich um die Längsachse. Sie konnten sich auch gabelförmig in zwei dünnere Bänder teilen.

Viele weitere Experimente haben die Wissenschaftler, zumindest in dieser Veröffentlichung vom 10. April, noch nicht unternommen. Sie stellten bislang nur fest, dass die Bänder negativ aufgeladen sind und sich eine positive Elektrode damit galvanisieren ließ. Die Bänder waren, schreiben die Autoren, in Luft instabil, aber einigermaßen wasserfest.