The phosphor wave – phosphor stripes first produced

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((BU)) Wellblech, Chromstahl

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Es ist vielleicht keine ganz neue Modifikation von Phosphor, die Form ist schon ungewöhnlich, die Forscher aus Großbritannien jüngst hergestellt haben: Nanobänder aus zweidimensionalem schwarzem Phosphor. Seit einiger Zeit erlebt der Phosphor eine Renaissance. Das schwarze, leitende und ungiftige Material bildet Schichten, das ist bekannt. Seit der Entdeckung von Graphen, der Kohlenstoff-Einfachschicht, können Forscher gar nicht genug von dünnen Schichten haben. Je dünner, desto besser. Und nun Phosphor.

In der Zeitschrift Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-019-1074-x) beschreiben Mitchell Watts, der bei Christopher A. Howard am University College in London promoviert, und Kollegen von der University of Bristol und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz, wie sie lange Bänder aus schwarzem, wenige Lagen zählendem Phosphor. Aussehen tun sie wie Wellblechstreifen. Vielleicht kann man sie einmal zu Leitungsbahnen machen? 

 

Der Hintergrund: Zweidimensionale Materialien

Das wohl berühmteste zweidimensionale Material ist Graphen (gesprochen Grafén). Es wurde 2004 entdeckt und erlebte in den letzten 15 Forscherjahren Höhen und Tiefen.

Graphen ist einlagiger Graphit, der Kohlenstoff von Bleistiftminen. Kugeln aus Graphen wurden sogar schon 1985 entdeckt, als die späteren Nobelpreisträger Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley eine Kohlenstoffmodifikation von zusammengeschlossenen Kugeln, den Fullerenen, beschrieben. Leichter zu gewinnen, aber nicht weniger aufregend waren die aufgerollten Röhrchen, die Kohlenstoffnanoröhrchen.

Der einlagige Kohlenstoff ist ein Fenster in die Welt flacher Kristalle und ihrer Eigenschaften. Das hauchdünne Material leitet Wärme und elektrischen Strom hervorragend. Dabei ist es transparent, stabil und biegsam. Die neuen Eigenschaften lassen von großen Anwendungen im Kleinen träumen, zum Beispiel in der Nanoelektronik. Aber es gab Haken und Hindernisse, noch wird hauptsächlich geforscht.

Seit Graphen suchen und finden die Wissenschaftler viele neue zweidimensionale Materialien. Besonders Molybdänsulfid ist interessant. Als dünne Schicht, und nur so ist es ein Halbleiter.

 

Immer wieder Phosphor

Aus einem Dornröschenschlaf aufgewacht ist auch die Erforschung von Phosphor. Wie Kohlenstoff kommt Phosphor in mehreren Formen vor. Deren Struktur und Eigenschaften unterscheiden sich stark.

Weißer Phosphor ist wachsartig. Die Atome sind vierfach aneinander gebunden, ein Tetraeder reiht sich an den anderen. Bei Kohlenstoff ist die tetraedrische Form der Diamant. Dessen Kristallgitter ist eine unendliche Abfolge von Kohlenstoffatom, die jeweils in alle Richtungen vier Nachbarn haben. Dementsprechend ist Diamant ist ein ultraharter Festkörper. Der weiße Phosphor ist hochentzündlich und hochgiftig.

In Schichten angeordnet bildet Kohlenstoff den schuppigen Graphit. Auch Phosphor kann Schichten, nämlich der violette und schwarze Phosphor (der rote Phosphor hat kein Kristallgitter). Ebenso wie Graphit ist der schwarze Phosphor schuppig, und er leitet den elektrischen Strom. Das alles ist lange bekannt. Einschichtiger Phosphor ist dagegen neu. Was kann eine einzelne Schicht von schwarzem Phosphor?

 

Phosphoren: Das Wellblech

Viel. Phosphoren (gesprochen Fosforén) hält das Versprechen einschichtiger Materialien, etwas Besonderes zu sein. Es ist ein Halbleiter, und seine Bandlücke ist abhängig von der Schichtdicke; je mehr Lagen, desto kleiner die Lücke.

Herausragend ist insbesondere die richtungsabhängige Leitung: 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.

Der einlagige Kohlenstoff ist ein Fenster in die Welt flacher Kristalle und ihrer Eigenschaften.

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 „mechanical agitating“ – also Schütteln in einem aprotischen 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 knickten. 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 gemacht. Sie stellten fest, dass die Bänder negativ aufgeladen sind und sich eine positive Elektrode damit galvanisieren ließ. Lösungen, in denen die Bänder stabil dispergiert waren, waren polar und aprotisch, also z.B. aus Dimethylformamid, Acetonitril oder n-Methyl-2-pyrrolidon; letzteres Lösungsmittel produzierte die meisten Bänder.

Die Bänder waren, so schreiben die Autoren, in Luft instabil, aber einigermaßen wasserfest.