Neuer Weg zu atomar dünnen Materialien

Neues aus der Forschung

Meldung vom 05.04.2018

Weg mit dem Silizium: Titancarbid-Nanoplättchen aus Titansiliziumcarbid durch selektives Ätzen


180525-0613_medium.jpg
 
Herstellung von Titancarbid-MXenen durch selektives Entfernen von Silizium aus Ti3SiC2.
Mohamed Alhabeb, Kathleen Maleski, Tyler S. Mathis, Asia Sarycheva, Christine B. Hatter, Simge Uzun, Ariana Levitt, Yury Gogotsi
Selective Etching of Silicon from Ti3SiC2 (MAX) To Obtain 2D Titanium Carbide (MXene)
Angewandte Chemie
DOI: 10.1002/ange.201802232


Als Materialien für Elektroden in Akkus und Superkondensatoren haben sich aufgrund ihrer metallischen Leitfähigkeit und ihrer Wasserverträglichkeit sogenannte MXene etabliert. Darüber hinaus eignen sie sich für Anwendungen wie die photothermische Krebstherapie, elektromagnetische Abschirmung, Wasseraufbereitung und Gassensorik. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Forscher jetzt eine neue Methode zur Herstellung des MXenes Titancarbid vor. Anstatt das konventionelle, aber teure Titanaluminiumcarbid zu verwenden, ätzen sie Silizium selektiv aus Titansiliziumcarbid heraus, das eine kostengünstigere und gebräuchlichere Vorstufe darstellt.

Zweidimensionale Materialien aus extrem dünnen Lagen, die nur wenige Atome dick sind, haben einzigartige Eigenschaften, die ganz anders ausfallen als die ihrer dreidimensionalen Varianten. Prominentestes Beispiel ist Graphen, das aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen besteht. 2011 wurde an der Drexel University (Philadelphia, USA) eine neue Klasse zweidimensionaler Materialien synthetisiert: Diese sogenannten MXene werden aus Übergangsmetall-Carbiden und –Nitriden hergestellt. Das M steht dabei für ein Übergangsmetall, wie Titan, Vanadium oder Molybdän, das X kann Kohlenstoff und/oder Stickstoff sein. Viele verschiedene Verbindungen dieses Typs sind möglich, etwa 30 wurden bereits experimentell bestätigt, Dutzende weitere werden erwartet. Titancarbid Ti3C2 ist ein bekanntes MXen.

Um die begehrten MXene zu erhalten, muss man einen Umweg wählen: Aus schichtartig aufgebauten Carbiden bzw. Nitriden, die als MAX-Phasen bezeichnet werden, ätzt man mit Flusssäure selektiv die Schichten aus dem „A-Element“ heraus, einem Element der 3. oder 4. Hauptgruppe, beispielsweise Aluminium, Silicium oder Germanium. So lässt sich Titancarbid durch Herausätzen von Aluminium aus Titanaluminiumcarbid Ti3AlC2 gewinnen. Dieser Ausgangsstoff ist jedoch teuer und die Herstellung ist komplex. Das Silizium-Analogon Titansiliziumcarbid Ti3SiC2 ist dagegen kommerziell erhältlich und günstiger. Ti3SiC2 war die erste MAX-Phase, die Wissenschaftler der Drexel University 2011 selektiv mit Flusssäure ätzen wollten. Sie blieben jedoch erfolglos, da die Siliziumatome sehr fest an die benachbarten Übergangsmetallatome gebunden sind.

Das Team um Yury Gogotsi von der Drexel University hat nun eine erfolgreiche Verfahrensvariante entwickelt: Durch Zugabe eines Oxidationsmittels konnten sie die Bindungen schwächen und Silizium oxidieren. Mit Mischungen aus Flusssäure und einem Oxidationsmittel wie Salpetersäure, Wasserstoffperoxid oder Kaliumpermanganat gelang es dem Team, Titancarbid-MXene durch selektives Entfernen von Silizium aus Ti3SiC2 herzustellen.

Nach dem Ätzen bleiben stapelartig angeordnete Titancarbid-Strukturen übrig, die sich zu einzelnen Schuppen von etwa einem Nanometer Dicke delaminieren lassen. Mit der neuen Methode konnten die Forscher flexible, elektrisch leitfähige Titancarbid-Filme in größeren Mengen herstellen.

Die neue Methode könnte die Produktion von MXenen vereinfachen und eröffnet Wege zur Herstellung neuer MXene und verwandter zweidimensionaler Materialien aus Silizium-haltigen Vorstufen. So ließe sich die Palette zweidimensionaler Nano-Schichten erweitern, die Wissenschaft und Technik zur Verfügung steht.


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung