Geschichtete kristalline Nanosheets ermöglichen einstellbare elektronische Eigenschaften

Bor ist ein vielseitiges Nichtmetall-Element, aber bis in die letzten fünf Jahre haben Chemiker nur über die nützlichen Eigenschaften und Anwendungen zweidimensionaler (2D) borhaltiger Materialien theorisiert. Eine Gruppe unter Leitung von Forschern der Universität Tsukuba hat nun Theorie in die Praxis umgesetzt, indem sie die ersten 2D-Bormonosulfid-(BS)-Nanosheets herstellte, die schichtweise gehandhabt werden können, um ihre elektronischen Eigenschaften zu kontrollieren.

Die inhärent großen Oberflächen und diversen elektronischen Zustände von 2D-Materialien machen sie zu guten Kandidaten für Anwendungen in Batterien und anderen Geräten. Zudem kann die Kombination von 2D-Bausteinen in neuartige Materialien eine größere Kontrolle über ihre Funktionalitäten ermöglichen. Frühere Computersimulationen hatten nahegelegt, dass BS mehrere stabile 2D-Strukturen mit einzigartigen Eigenschaften annehmen könnte. Daher fertigten die Forscher ein 1:1 Bor:Schwefel-Bulk-Material an, das eine rhomboedrische (ein dreidimensionaler Rhombus) Kristallstruktur (r-BS) aufwies, und schälten dann einzelne Nanoblagen (2D BS) ab, die die ursprüngliche kristalline Anordnung des Materials beibehielten.

„Unsere Analyse bestätigte, was unsere eigenen Berechnungen vorhergesagt hatten“, sagt Forschungsgruppenleiter Professor Takahiro Kondo. „Dass BS-Nanosheets eine andere Bandlückenenergie als das Bulk-Material hatten und, wichtig, die Bandlücke basierend auf der Anzahl gestapelter 2D-BS-Schichten eingestellt werden konnte.“

Die Fähigkeit, einen elektrischen Strom zu leiten, hängt mit der Bandlückenenergie eines Materials zusammen, daher ist sie eine Schlüsseleigenschaft, die mit potenziellen elektronischen Geräteanwendungen verknüpft ist. Die Forscher fanden heraus, dass die Bandlückenenergie eines einzelnen BS-Nanosheets relativ groß war, aber sukzessive abnahm, als sie ein oder zwei zusätzliche Nanosheet-Schichten hinzufügten. Die Bandlückenenergie des Stapels erreichte schließlich das Niveau des Bulk-r-BS, nachdem etwa fünf Blätter zusammengesetzt waren.

„Dieses Merkmal und die leichte effektive Elektronenmasse der BS-Nanosheets deuteten darauf hin, dass sie potenziell als n-Typ-Halbleitermaterialien mit hoher Leitfähigkeit dienen könnten“, sagte Kondo, „was sie einzigartig unter anderen bekannten 2D-borhaltigen Materialien macht, die keine Bandlücken haben.“

Wegen ihrer distincten Bandlückenstrukturen reagierten Elektroden aus r-BS oder 2D BS auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichts. Das r-BS erforderte niedrigere Energiebestrahlung (sichtbares Licht), um einen Strom zu leiten und fotokatalytisches Verhalten zu zeigen, während die größere Bandlücke des 2D BS nur unter höherenergetischem Ultraviolettlicht aktiv war.

In der Tat ist Bor alles andere als langweilig! Diese lichtinduzierten Phänomene hoben hervor, dass 2D-Bormonosulfid-Materialien in fotokatalytischen oder elektronischen Geräten angewendet werden können, und wichtig, ihre Eigenschaften können nach Bedarf durch Kontrolle der Anzahl der Nanosheets eingestellt werden.