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Neues 2D-Material Mit einer Million Atmosphären zu möglichem Graphen-Nachfolger

Autor / Redakteur: Christian Wißler* / Christian Lüttmann

Beryllium und Stickstoff bilden ein Gitter, was mit seinen elektronischen Eigenschaften die Nachfolge von Graphen antreten könnte. Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung der Uni Bayreuth hat das neuartige 2D-Material unter extremem Hochdruck hergestellt.

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Eine einzelne Beryllonitren-Schicht besteht aus BeN₄-Fünfecken und Be₂N₄-Sechsecken. Die Beryllium-Atome sind als graue Bällchen, Stickstoff-Atome als blaue Bällchen dargestellt.
Eine einzelne Beryllonitren-Schicht besteht aus BeN₄-Fünfecken und Be₂N₄-Sechsecken. Die Beryllium-Atome sind als graue Bällchen, Stickstoff-Atome als blaue Bällchen dargestellt.
(Bild: M. Bykov. (Färbung: LABORPRAXIS))

Bayreuth – Seit der Entdeckung des aus Kohlenstoff-Atomen aufgebauten Graphens ist das Interesse an zweidimensionalen Materialien in Forschung und Industrie ständig gewachsen. Unter extrem hohen Drücken von bis zu 100 Gigapascal haben Forscher der Universität Bayreuth jetzt gemeinsam mit internationalen Partnern neuartige Verbindungen hergestellt, die sich aus Stickstoff- und Beryllium-Atomen zusammensetzen.

Es handelt sich um Beryllium-Polynitride, von denen einige dem monoklinen, andere dem triklinen Kristallsystem angehören. Wenn der Druck sinkt, zeigen die triklinen Beryllium-Polynitride ein ungewöhnliches Verhalten: Sie nehmen eine aus Schichten aufgebaute Kristallstruktur an. Jede Schicht enthält zickzackförmige Stickstoffketten, die durch Beryllium-Atome verbunden sind (s. Abbildung). Sie kann deshalb als eine flächige Struktur beschrieben werden, die aus BeN4-Fünfecken und Be2N4-Sechsecken besteht. Somit stellt jede Schicht ein zweidimensionales Material dar: Beryllonitren.

Schicht mit Potenzial für Quantencomputer

Beryllonitren ist ein qualitativ neues 2D-Material. Im Unterschied zum Graphen ergibt sich aus der zweidimensonalen Kristallstruktur des Beryllonitrens ein elektronisches Gitter, das leicht verzerrt ist. Wegen der daraus resultierenden elektronischen Eigenschaften wäre Beryllonitren, falls es sich eines Tages im Industriemaßstab herstellen ließe, hervorragend für Anwendungen in der Quantentechnologie geeignet. In diesem noch jungen Gebiet von Forschung und Entwicklung geht es darum, quantenmechanische Eigenschaften und Strukturen von Materie für technische Innovationen zu nutzen – beispielsweise für den Bau von Hochleistungscomputern oder für neuartige Verschlüsselungstechniken mit dem Ziel einer sicheren Kommunikation.

„Erstmals ist es jetzt der Hochdruck-Forschung gelungen, in enger internationaler Zusammenarbeit eine chemische Verbindung herzustellen, die zuvor völlig unbekannt war“, sagt Ko-Autorin Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth. Die neue Verbindung könne beispielsweise als Präkursor für ein 2D-Material mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften dienen. „Dieser faszinierende Erfolg war nur mithilfe eines im Labor erzeugten Kompressionsdrucks möglich, der nahezu eine Million Mal höher ist als der Druck der Erdatmosphäre. Unsere Studie beweist damit erneut das außerordentliche Potenzial der materialwissenschaftlichen Hochdruck-Forschung“, ergänzt die Kristallographie-Forscherin.

Hochdruck als Hürde

Das sechseckige elektronische Gitter (grün) des Beryllonitrens beruht auf seiner Kristallstruktur und sieht wie eine leicht verzerrte Bienenwabe aus. Daraus ergeben sich elektronische Eigenschaften, die für quantentechnologische Anwendungen genutzt werden könnten.
Das sechseckige elektronische Gitter (grün) des Beryllonitrens beruht auf seiner Kristallstruktur und sieht wie eine leicht verzerrte Bienenwabe aus. Daraus ergeben sich elektronische Eigenschaften, die für quantentechnologische Anwendungen genutzt werden könnten.
(Bild: M. Bykov.)

Ehe ein technischer Nutzen aus dem neuen 2D-Material gezogen werden kann, müssen aber noch die Herstellungsbedingungen optimiert werden. Solange die extrem hohen Drücke für die Synthese nötig sind, werde es kein Beryllonitren im Industriemaßstab, sagen die Forscher. „Es ist jedoch sehr wichtig, dass die neue Verbindung bei der Dekompression entstanden ist und unter Umgebungsbedingungen existieren kann“, betont Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth, korrespondierender Autor der Studie. „Grundsätzlich können wir nicht ausschließen, dass es eines Tages möglich sein wird, Beryllonitren oder ein ähnliches 2D-Material mit technisch weniger aufwändigen Verfahren nachzubauen und industriell zu nutzen. Mit unserer Studie haben wir der Hochdruck-Forschung eine neue Perspektive für die Entwicklung technologisch attraktiver 2D-Materialien eröffnet, die das Graphen möglicherweise übertreffen werden.“

Originalpublikation: Maxim Bykov et al.: High-pressure synthesis of Dirac materials: layered van der Waals bonded BeN4 polymorph, Physical Review Letters 126, 175501 (2021), DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.175501

* C. Wißler, Universität Bayreuth, 95447 Bayreuth

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