MXene sind eine schnell wachsende Klasse anorganischer zweidimensionaler Materialien, wie das HZDR mitteilt. Jede Struktureinheit besteht aus Schichten von Übergangsmetallen in Verbindung mit Kohlenstoff oder Stickstoff und wird durch Atome abgeschlossen, die an den äußersten Oberflächen gebunden sind. Diese Oberflächenabschlüsse spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Materialeigenschaften. „Sie beeinflussen stark, wie sich Elektronen durch das Material bewegen, wie stabil es ist und wie es mit Licht, Wärme und chemischen Umgebungen interagiert“, sagt Dr. Mahdi Ghorbani-Asl vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR.
Herstellungsverfahren ohne Ätzchemikalien
Bisher wurden die meisten MXene mit Ätzverfahren hergestellt, die zu zufälligen Oberflächenabschlüssen mit Sauerstoff, Fluor oder Chlor führen. „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.
Das neue GLS-Verfahren (engl. gas-liquid-solid, GLS) vermeidet aggressive Chemikalien, indem es feste Ausgangsmaterialien, so genannte Max-Phasen, mit geschmolzenen Salzen und Joddampf zur Herstellung von MXene-Folien verwendet. Entscheidend ist, dass die geschmolzenen Salze und das Jod zusammenwirken, um zu steuern, welche Halogenatome wie Chlor, Brom oder Jod sich an die Oberfläche anlagern. Das Ergebnis sind MXene mit hochgradig einheitlichen und gut geordneten Oberflächenabschlüssen und einem stark reduzierten Gehalt an Verunreinigungen. Mit diesem Ansatz gelang es dem Team, MXene aus acht verschiedenen Max-Phasen zu synthetisieren.
Hohe Leitfähigkeit durch exakt geordnete Oberflächen
Um das Potenzial der neuen Methode zu veranschaulichen, konzentrierte sich das Team auf das Titancarbid-MXene Ti₃C₂. Bei der Herstellung mit herkömmlichen chemischen Verfahren enthält Ti₃C₂ in der Regel eine Mischung aus Chlor- und Sauerstoff-Endgruppen, die seine elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen. Im Gegensatz dazu enthält Ti₃C₂Cl₂, das mit der GLS-Methode hergestellt wurde, nur Chlor, das in eine hochgeordnete Struktur ohne nachweisbare Verunreinigungen eingebaut ist.
„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.
Die Methode bietet auch eine Plattform für die Entwicklung von MXenen mit inidivduellen Oberflächeneigenschaften. Durch Mischen verschiedener Halogenidsalze stellten die Forscher MXene mit doppelten oder sogar dreifachen Halogen-Endgruppen und kontrollierten Verhältnissen her.