MXene Forschungsteam ebnet Weg zu 2D-Materialien

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Ein internationales Forschungsteam hat einen „Gas-Flüssig-Feststoff“-Prozess entwickelt, mit dem sich MXenen – einer Familie zweidimensionaler Materialien – in bisher unerreichter Reinheit und Kontrollierbarkeit herstellen lassen.

MXene wurden 2011 entdeckt und sind eine schnell wachsende Klasse anorganischer zweidimensionaler Materialien. Jede Struktureinheit besteht aus Schichten von Übergangsmetallen in Verbindung mit Kohlenstoff oder Stickstoff und wird durch Atome abgeschlossen, die an den äußersten Oberflächen gebunden sind. Diese Oberflächenabschlüsse spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Materialeigenschaften. „Sie beeinflussen stark, wie sich Elektronen durch das Material bewegen, wie stabil es ist und wie es mit Licht, Wärme und chemischen Umgebungen interagiert“, erklärt Dr. Mahdi Ghorbani-Asl vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR.

Bisher wurden die meisten MXene mit chemischen Ätzverfahren hergestellt, die zu gemischten und zufällig verteilten Oberflächenabschlüssen mit Elementen wie Sauerstoff, Fluor oder Chlor führen. „Diese atomare Unordnung schränkt die Leistungsfähigkeit ein, da sie Elektronen einfängt und streut, ähnlich wie Schlaglöcher den Verkehr auf einer Autobahn verlangsamen“, beschreibt Dr. Dongqi Li von der TU Dresden.
Beim neuen GLS-Verfahren (engl. gas-liquid-solid, GLS) werden feste Ausgangsmaterialien, sogenannte MAX-Phasen, zusammen mit geschmolzenen Salzen und Joddampf zur Herstellung von MXene-Folien verwendet. Entscheidend ist, dass die geschmolzenen Salze und das Jod zusammenwirken, um zu steuern, welche Halogenatome wie Chlor, Brom oder Jod sich an die Oberfläche anlagern. Das Ergebnis sind MXene mit hochgradig einheitlichen und gut geordneten Oberflächenabschlüssen und einem stark reduzierten Gehalt an Verunreinigungen.

Durch die Kombination von Theorie und unserer experimentellen Fähigkeit, Oberflächenabschlüsse präzise zu steuern, eröffnen wir einen neuen Weg zu MXenen mit verbesserter Stabilität und maßgeschneiderten funktionellen Eigenschaften.

Dr. Mahdi Ghorbani-Asl

Mit diesem Ansatz ist es dem internationalen Forschungsteam der TU Dresden, des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik Halle, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und weiterer Partnerinstitutionen in Europa gelungen, MXene aus acht verschiedenen MAX-Phasen zu synthetisieren.
Darüber hinaus verwendeten die Forschenden Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT), um tiefere Einblicke in den Einfluss der Oberflächen-Endgruppen auf die Stabilität und die elektronischen Eigenschaften von MXenen zu gewinnen. „Durch die Kombination von Theorie und unserer experimentellen Fähigkeit, Oberflächenabschlüsse präzise zu steuern, eröffnen wir einen neuen Weg zu MXenen mit verbesserter Stabilität und maßgeschneiderten funktionellen Eigenschaften“, fasst Ghorbani-Asl zusammen.
 

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Leitfähigkeit durch perfekt geordnete Oberflächen

Um das Potential der neuen Methode zu veranschaulichen, konzentrierte sich das Team auf einen der am häufigsten untersuchten Vertreter dieser Verbindungsklasse: das Titancarbid-MXene Ti₃C₂. Bei der Herstellung mit herkömmlichen chemischen Verfahren enthält Ti₃C₂ in der Regel eine Mischung aus Chlor- und Sauerstoff-Endgruppen, die seine elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen. Im Gegensatz dazu enthält Ti₃C₂Cl₂, das mit der GLS-Methode hergestellt wurde, nur Chlor, das in eine hochgeordnete Struktur ohne nachweisbare Verunreinigungen eingebaut ist.
„Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die MXene-Variante, bei der ausschließlich Chloratome die Oberfläche bedecken, zeigte eine 160-fache Steigerung der makroskopischen Leitfähigkeit und eine 13-fache Verbesserung der Terahertz-Leitfähigkeit im Vergleich zum gleichen Material, das mit herkömmlichen Methoden hergestellt wurde. Darüber hinaus wurde eine fast vierfache Erhöhung der Ladungsträgerbeweglichkeit beobachtet, ein wichtiger Maßstab dafür, wie frei sich Elektronen durch ein Material bewegen können“, fasst Li zusammen.
Diese Leistungssteigerungen sind direkt auf die sauberere Oberflächenchemie zurückzuführen. Da alle Chloratome geordnet auf der MXene-Oberfläche angeordnet sind, stoßen Elektronen auf weniger Hindernisse und können reibungsloser fließen. 

Maßgeschneiderte 2D-Materialien für die Technologien von morgen

Die Studie zeigt, dass sich durch die Anpassung der Art des Oberflächenhalogens nicht nur der elektrische Transport, sondern auch die Absorption elektromagnetischer Wellen durch MXene verändert. Das bedeutet, dass die Materialien für bestimmte Anwendungen wie radarabsorbierende Beschichtungen, elektromagnetische Abschirmungen und drahtlose Komponenten der nächsten Generation entwickelt werden können. So zeigen beispielsweise MXene mit Chlor-Endgruppen eine starke Absorption im Frequenzbereich von 14 bis 18 GHz, während MXene mit Brom- und Jod-Endgruppen in anderen Frequenzbereichen absorbieren.