Ultrareine MXene durch neuen Syntheseweg
Ein internationales Forschungsteam entwickelt ein neuartiges Verfahren zur Herstellung hochreiner MXene mit gezielt kontrollierten Oberflächenabschlüssen. Der sogenannte Gas-Flüssig-Feststoff-Prozess ermöglicht eine präzise Steuerung der Oberflächenchemie und führt zu deutlich verbesserten elektrischen Eigenschaften. Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für Anwendungen in Elektronik, Energiespeicherung und Hochfrequenztechnik.
Kombination eines Modells aus einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme (links) mit einem Ausschnitt der zugrunde liegenden Kristallstruktur eines untersuchten MXenes mit präzise kontrollierten Oberflächenabschlüssen.
Foto: B. Schröder/HZDR
Zweidimensionale Materialien gelten seit Jahren als Hoffnungsträger für elektronische und optoelektronische Anwendungen. Eine besonders dynamische Materialklasse bilden die MXene, die erstmals 2011 beschrieben wurden. Sie bestehen aus Schichten von Übergangsmetallen, die mit Kohlenstoff oder Stickstoff verbunden sind. An ihren Oberflächen tragen sie sogenannte Endgruppen – Atome, die an den äußeren Schichten gebunden sind und maßgeblich über die Eigenschaften des Materials entscheiden.
Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität Dresden, des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf sowie weiterer europäischer Partner hat nun ein neues Verfahren vorgestellt, das die Herstellung dieser Materialien grundlegend verändert. Mithilfe eines sogenannten „Gas-Flüssig-Feststoff“-Prozesses, kurz GLS, gelingt es, MXene mit bislang nicht erreichter Reinheit und gezielt einstellbaren Oberflächenhalogenen herzustellen.
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Die Rolle der Oberflächenabschlüsse
Bei MXenen bestimmen die Oberflächenendgruppen wesentlich die elektronischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften. „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.
Bislang wurden MXene überwiegend durch chemische Ätzprozesse erzeugt. Dabei entstehen jedoch häufig gemischte und statistisch verteilte Endgruppen aus Elementen wie Sauerstoff, Fluor oder Chlor. Diese atomare Unordnung wirkt sich nachteilig auf die Materialleistung aus. „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.
Der Gas-Flüssig-Feststoff-Prozess
Der nun entwickelte GLS-Prozess verzichtet auf aggressive Chemikalien. Stattdessen reagieren feste Ausgangsphasen, sogenannte MAX-Phasen, mit geschmolzenen Salzen und Joddampf. In dieser kontrollierten Umgebung lagern sich gezielt Halogenatome wie Chlor, Brom oder Jod an die Oberfläche an. Das Zusammenspiel von geschmolzenem Salz und Jod erlaubt es, die Art und Verteilung der Halogenatome präzise zu steuern. So entstehen MXene mit hochgradig geordneten Oberflächen und stark reduzierten Verunreinigungen. Nach Angaben des Teams konnte die Methode auf acht unterschiedliche MAX-Phasen angewendet werden, was auf eine breite Einsetzbarkeit des Verfahrens hinweist.
Ergänzend nutzten die Forschenden Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie, um den Einfluss der jeweiligen Oberflächenendgruppen auf Stabilität und elektronische Eigenschaften zu analysieren. „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.
Ti3C2Cl2 als Referenzmaterial
Um die Leistungsfähigkeit des neuen Ansatzes zu belegen, untersuchte das Team das Titancarbid-MXene Ti3C2, eines der am häufigsten erforschten MXene. In konventionellen Herstellungsverfahren weist dieses Material in der Regel eine Mischung aus Chlor- und Sauerstoff-Endgruppen auf, was seine elektrische Performance begrenzt. Im GLS-Verfahren hergestelltes Ti3C2Cl2 besitzt hingegen ausschließlich Chlor-Endgruppen, die hochgeordnet und frei von nachweisbaren Verunreinigungen sind. Diese strukturelle Ordnung spiegelt sich unmittelbar in den elektrischen Eigenschaften wider. „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.
Quantentransportsimulationen bestätigten, dass die geordneten Oberflächen das Einfangen und Streuen von Elektronen reduzieren. Damit lässt sich die beobachtete Verbesserung mikroskopisch nachvollziehen.
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Anpassbare Eigenschaften für technische Anwendungen
Die Untersuchungen zeigen zudem, dass sich nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern auch die elektromagnetische Absorption gezielt beeinflussen lässt. Abhängig vom verwendeten Halogen verändern sich die Frequenzbereiche, in denen die MXene elektromagnetische Wellen absorbieren. MXene mit Chlor-Endgruppen absorbieren demnach besonders stark im Bereich von 14 bis 18 GHz, während Varianten mit Brom oder Jod in anderen Frequenzfenstern aktiv sind.
Darüber hinaus gelang es dem Team, durch die Kombination unterschiedlicher Halogenidsalze MXene mit doppelten oder dreifachen Halogen-Endgruppen und definierten Mischungsverhältnissen herzustellen. Diese Möglichkeit, die Oberflächenchemie gezielt einzustellen, erweitert das Spektrum potenzieller Anwendungen in Bereichen wie Elektronik, Energiespeicherung, Katalyse oder Photonik.
Perspektiven für die MXene-Chemie
Mit dem GLS-Verfahren steht erstmals ein vergleichsweise schonender und breit einsetzbarer Syntheseweg zur Verfügung, der hochgeordnete MXene mit kontrollierten Oberflächenendgruppen liefert. Die Kombination aus experimenteller Prozessführung und theoretischer Modellierung ermöglicht es, Struktur und Funktion systematisch aufeinander abzustimmen.
Die Studie dokumentiert damit einen methodischen Fortschritt in der MXene-Forschung. Durch die präzise Kontrolle der Oberflächenchemie können die Eigenschaften dieser zweidimensionalen Materialien gezielt modifiziert werden. Dies schafft eine Grundlage für weitere Entwicklungen in der Materialwissenschaft und für den Einsatz von MXenen in zukünftigen elektronischen und optoelektronischen Anwendungen. Nach Ansicht der Autoren könnte die GLS-Methode die Entwicklung von Materialien der nächsten Generation für flexible Elektronik, Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologien und fortschrittliche optoelektronische Geräte beschleunigen.
