Slechts een paar atomen dik: nieuwe functionele materialen ontwikkeld

Ze zijn 50.000 keer dunner dan een mensenhaar en slechts een paar atomen dik: tweedimensionale materialen zijn de dunste stoffen die tegenwoordig kunnen worden gemaakt. Ze hebben volledig nieuwe eigenschappen en worden beschouwd als de volgende grote stap in de moderne halfgeleidertechnologie. In de toekomst zouden ze in plaats van silicium kunnen worden gebruikt in computerchips, lichtgevende diodes en zonnecellen. Tot nu toe was de ontwikkeling van nieuwe tweedimensionale materialen beperkt tot structuren met lagen van stijve chemische bindingen in twee ruimtelijke richtingen – zoals een vel papier in een stapel. Nu heeft een onderzoeksteam van de universiteiten van Marburg, Giessen en Paderborn, onder leiding van dr. Johanna Heine (anorganische chemie, Philipps Universiteit van Marburg) voor het eerst deze beperking overwonnen door een innovatief concept te gebruiken. De onderzoekers ontwikkelden een organisch-anorganisch hybride kristal dat uit ketens in één richting bestaat, maar desondanks toch tweedimensionale lagen vormt. Hierdoor is het mogelijk om verschillende materiaalcomponenten, zoals stukken in een bouwdoos, te combineren tot op maat gemaakte materialen met innovatieve eigenschappen.

In dit project combineerde het onderzoeksteam de voordelen van tweedimensionale materialen en hybride perovskieten – het gelijknamige mineraal perovskiet staat bekend om zijn opto-elektronische eigenschappen en kan worden gecombineerd met andere materialen om deze eigenschappen te verbeteren. “Het bijzondere hieraan is dat het volledig nieuwe opties biedt voor gericht ontwerp van toekomstige functionele materialen”, zegt dr. Johanna Heine, een chemicus en junior onderzoeksgroepleider aan de Universiteit van Marburg, die dit zeer actuele onderzoeksgebied beschrijft dat geweldige toepassingspotentieel. “Dit fysieke effect, dat hier voor het eerst werd ontdekt, zou het mogelijk kunnen maken om de kleur van toekomstige verlichtings- en weergavetechnologieën op een eenvoudige en gerichte manier af te stemmen”, zegt natuurkundige Philip Klement, hoofdauteur en doctoraatsstudent in de onderzoeksgroep onder leiding van professor Sangam Chatterjee. aan de Justus Liebig Universiteit van Giessen (JLU).

Het werk werd uitgevoerd in een interdisciplinaire samenwerking: het team van dr. Johanna Heine aan de Universiteit van Marburg ontwikkelde eerst de chemische synthese en creëerde het materiaal als een enkelvoudig bulkkristal. Philip Klement en het team van professor Chatterjee bij JLU gebruikten deze kristallen vervolgens om individuele atomair dunne lagen te produceren en onderzochten ze met behulp van optische laserspectroscopie. Ze vonden een spectraal breedbandige (“witte”) lichtemissie, waarvan de kleurtemperatuur kan worden aangepast door de dikte van de laag te veranderen. In nauwe samenwerking met professor Stefan Schumacher en zijn team van theoretisch fysici aan de Paderborn University, hebben de onderzoekers het effect microscopisch bestudeerd en de eigenschappen van het materiaal kunnen verbeteren.

Op deze manier konden de onderzoekers het hele proces bestrijken, van de synthese van het materiaal en het begrijpen van de eigenschappen tot het modelleren van de eigenschappen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het vakblad Geavanceerde materialen.