Neue chemische Bindungen in Bor-Kristallen entdeckt

Hochdruck-Synthese von Bor-Einkristallen ermöglicht Untersuchung mit Synchrotron-Röntgenstrahlung.

Moderne Untersuchungsverfahren mit Synchrotron-Röntgenstrahlung, die über die Lage der Elektronen und über die Art der chemischen Bindungen in einem Material Aufschluss geben können, ließen sich lange Zeit auf das leichte Element Bor (B) nicht anwenden. So ist Bor hinsichtlich seiner Strukturen weniger gut erforscht als andere Elemente. Nun gelang es einem Forscherteam der Universität Bayreuth in Zusammenarbeit mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble und der schwedischen Universität Linköping, in Bor-Kristallen chemische Bindungen nachzuweisen, die in Bor-haltigen Materialien bisher unbekannt waren.

Um Synchrotron-Röntgenstrahlung für die Untersuchung von Bor einsetzen zu können, synthetisieren die Forscher unter hohen Drücken hochwertige Bor-Einkristalle im Hochdruck-Laboratorium des Bayerischen Geoinstituts (BGI). In diesen Einkristallen sind Ikosaeder (Körper mit zwanzig gleichseitigen Dreiecken als Flächen), die jeweils aus 12 Bor-Atomen bestehen, in einer einheitlichen und stabilen Gitterstruktur angeordnet. Diese Einkristalle analysierten die Forscher mit Synchrotronstrahlung der European Synchrotron Radiation Facility. Die durch Röntgenbeugung gewonnenen Daten wurden anschließend in mit Gradientenbilder übersetzt, die Auskunft über die unterschiedliche Elektronendichte in einem Material geben und Rückschlüsse auf die Position und die Stabilität von chemischen Bindungen ermöglichen.

Bei der Auswertung der Gradientenbilder entdeckten die Forscher zwei Arten von chemischen Bindungen. Einerseits handelt es sich um ein-Elektron-zwei-Zentren-Bindungen, die benachbarte ikosaedrische Bor-Cluster verbinden; andererseits um polar-kovalente zwei-Elektronen-drei-Zentren-Bindungen. Letzere werden gebildet zwischen einem Paar von Atomen aus einem ikosaedrischen Bor-Cluster und einem Atom der interstitiellen B2-Gruppe. 

Abb.: Das Gradientenbild der Elektronendichte zeigt einen Ausschnitt aus einem Bor-Kristall, das unter hohem Druck synthetisiert wurde. Die Zentren B1, B4 und B5 markieren die Positionen von Bor-Atomen. Die blauen Punkte zwischen B1 und B4 stehen für ein-Elektron-zwei-Zentren-Bindungen. Die drei blauen Punkte, welche B4-B4-B5 verbinden, stehen zusammen mit dem grünen Punkt in der Mitte von B4-B4-B5 für eine zwei-Elektronen-drei-Zentren-Bindung. (Bild: Sander van Smaalen)

Zunächst sei die Entdeckung für die Grundlagenforschung interessant, so die Forscher. Doch die unter extremen Drücken synthetisierten Bor-Kristalle besitzen als Halbleitermaterialien einzigartige optische Eigenschaften. Zudem zeichnen sich durch eine überdurchschnittliche Härte. So könnten sie an Bedeutung für elektronische Geräte und Schaltungen gewinnen.

Universität Bayreuth / MH

Weiter Infos: 

• Originalveröffentlichung:
  S. Mondal et al.: Electron-Deficient and Polycenter Bonds in the High-Pressure γ-B28 Phase of Boron. Phys. Rev. Lett., 106, 215502 (2011)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.215502
• Lehrstuhl für Kristallographie Universität Bayreuth
• Bayerisches Geoinstitut (BGI), Universität Bayreuth
• European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble
• Arbeitsgruppe für Theoretische Physik an der Universität Linköping, Schweden