21.09.2023

Molybdänen – ein neues 2D-Material

Synthese des „metallischen“ Verwandten von Graphen geglückt.

Zwei­dimensionale Materialien wie Graphen faszinieren mit erstaunlichen Eigenschaften. Jülicher Forschende haben nun gemeinsam mit Partnern des indischen Instituts für Technologie in Patna und der aus­tralischen Universität Newcastle ein besonderes Material dieser Art hergestellt, das einen metallischem Charakter aufweist. Es besteht aus einer Schicht aus Molybdän­atomen, die gerade einmal eine Atomlage dünn ist, und wird auch als Molybdänen bezeichnet.

Hochaufgelöste elektronenmikroskopische Aufnahme der Molybdänenoberfläche.
Abb.: Hochaufgelöste elektronenmikroskopische Aufnahme der Molybdänenoberfläche.
Quelle: T. K. Sahu et al., Nat. Nanotech. / FZJ

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, die im Bereich der Quanten­technologie bahnbrechende Innovationen ermöglichen könnten.

In den letzten Jahren kamen weitere 2D-Materialien wie Phosphoren oder Germanen hinzu. Sie weisen – wie Molybdänen – einige beein­druckende Eigenschaften auf, wobei sich letzteres noch in einigen Aspekten von anderen 2D-Materialien unterscheidet. „Viele 2D-Materialien sind empfindlich gegenüber Hitze, aber Molybdänen ist das nicht. Das ist auch das erste freistehende 2D-Metall dass man überhaupt synthetisieren konnte“, erklärt Ilia Valov vom Peter Grünberg Institut 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. 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.

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.

FZJ / JOL

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