Schichten aus kristallinen Nanoblättern ermöglichen einstellbare elektronische Eigenschaften

Bor ist ein vielseitiges Nichtmetallelement, aber bis zu den letzten fünf Jahren haben Chemiker nur Theorien über die nützlichen Eigenschaften und Anwendungen von zweidimensionalen (2D) borhaltigen Materialien aufgestellt. Eine Gruppe unter der Leitung von Forschern der Universität Tsukuba hat nun die Theorie zum Leben erweckt, indem sie die ersten 2D-Bormonosulfid (BS)-Nanoblätter hergestellt hat, die Schicht für Schicht gehandhabt werden können, um ihre elektronischen Eigenschaften zu steuern.

Die inhärent große Oberfläche und die vielfältigen elektronischen Zustände von 2D-Materialien machen sie zu guten Kandidaten für Anwendungen in Batterien und anderen Geräten. Darüber hinaus kann die Kombination von 2D-Bausteinen zu neuartigen Materialien eine bessere Kontrolle über ihre Funktionalitäten ermöglichen. Frühere Computerstudien hatten nahegelegt, dass BS mehrere stabile 2D-Strukturen mit einzigartigen Eigenschaften annehmen könnte. Daher stellten die Forscher ein 1:1-Bor:Sulfid-Massenmaterial her, das eine rhomboedrische (eine dreidimensionale Raute) Kristallstruktur (r-BS) aufwies, und entfernten dann einzelne Nanoschichten (2D BS), die die ursprünglichen Materialien beibehielten kristalline Anordnung.

„Unsere Analyse hat bestätigt, was unsere eigenen Berechnungen vorhergesagt hatten“, sagt Forschungsgruppenleiter Professor Takahiro Kondo. "Das heißt, BS-Nanoblätter hatten eine andere Bandlückenenergie als das Bulk-Material, und vor allem konnte die Bandlücke basierend auf der Anzahl der gestapelten 2D-BS-Blätter abgestimmt werden."

Die Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, hängt mit der Bandlückenenergie eines Materials zusammen und ist daher eine Schlüsseleigenschaft im Zusammenhang mit potenziellen Anwendungen für elektronische Geräte. Die Forscher fanden heraus, dass die Bandlückenenergie eines einzelnen BS-Nanoblatts relativ groß war, aber sie nahm sukzessive ab, als sie eine oder zwei zusätzliche Nanoblattschichten hinzufügten. Die Bandlückenenergie des Stapels erreichte schließlich das Niveau der Bulk-r-BS, nachdem etwa fünf Blätter zusammengesetzt waren.

„Dieses Merkmal und die leichte effektive Elektronenmasse der BS-Nanoblätter deuteten darauf hin, dass sie möglicherweise als n-Typ-Halbleitermaterialien mit hoher Leitfähigkeit dienen könnten“, sagte Kondo, „was sie unter anderen bekannten 2D-Bor-haltigen Materialien, die dies nicht tun, einzigartig macht haben Bandlücken."

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Bandlückenstrukturen reagierten Elektroden mit r-BS oder 2D-BS auf unterschiedliche Lichtwellenlängen. Die r-BS erforderte eine Bestrahlung mit niedrigerer Energie (sichtbares Licht), um einen Strom zu leiten und ein photokatalytisches Verhalten zu zeigen, während die größere Bandlücke der 2D-BS nur unter ultraviolettem Licht mit höherer Energie aktiv war.

In der Tat ist Bor alles andere als langweilig! Diese lichtinduzierten Phänomene unterstrichen die Tatsache, dass 2D-Bormonosulfid-Materialien in photokatalytischen oder elektronischen Geräten eingesetzt werden können und, was noch wichtiger ist, ihre Eigenschaften nach Bedarf durch Steuerung der Anzahl der Nanoblätter eingestellt werden können.