Exotische Geschichtete Materialien

2D-Materialien sind flache Moleküle, die nur aus Oberflächenatomen bestehen. Ihre Struktur ist chemisch inert, weshalb sie untereinander keine Bindungen eingehen. Diese Materialien können jedoch durch sogenannte Van-der-Waals-Kräfte zusammengeklebt werden, wodurch extrem dünne, Lego-ähnlich ge1schichtete Van-der-Waals-Strukturen entstehen. Diese Strukturen entstehen normalerweise über einen Prozess, bei dem zuerst einzelne Atomschichten von größeren Kristallen mühsam und durch manuelle Mittel getrennt werden, um sie danach manuell wieder die einzeln aufeinander zu stapeln. Im Rahmen des ELMer Projekts werden neue 2D-Materialien in einem einstufigen Raumtemperaturprozess synthetisiert, und ihre Struktur und Eigenschaften werden mittels Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Um dies zu erreichen, werden 2D- Materialien zwischen zwei Schichten aus einzelnen Kohlenstoffatomschichten, auch bekannt als Graphen, gezüchtet. Letztendlich können solche 2D-Materialien viele gängige Technologien verbessern, wie beispielsweise Solarzellen und Batterien für Elektrofahrzeuge, aber auch Elektronik mit niedrigem Energieverbrauch wie Computer, tragbare Geräte und Flachbildschirme.

Das Hauptziel dieses Projekts war die Herstellung und Untersuchung neuartiger atomar dünner Materialien, die nicht als natürlich geschichtete Kristalle vorkommen. Mithilfe eines auf Graphen basierenden Syntheseansatzes gelang es uns, etwa ein Dutzend zweidimensionale Metalliodide mit unterschiedlichen elektronischen, magnetischen und optischen Eigenschaften herzustellen und zu charakterisieren. Diese Materialien waren zuvor experimentell nicht zugänglich und hauptsächlich aus theoretischen Vorhersagen bekannt. Durch den Einsatz modernster Elektronenmikroskopie- und Spektroskopieverfahren konnten wir ihre atomaren Strukturen bestimmen und die chemischen Prozesse untersuchen, die ihre Bildung steuern. Die Ergebnisse zeigten, wie die räumliche Begrenzung zwischen Graphenschichten neuartige Kristallstrukturen stabilisieren kann, und lieferten wichtige Erkenntnisse über die Chemie niedrigdimensionaler Materialien. Das Projekt erweiterte damit die Palette experimentell zugänglicher zweidimensionaler Materialien erheblich und eröffnete neue Möglichkeiten für die Erforschung ihrer grundlegenden Eigenschaften. Während der Untersuchung eines dieser Materialien, atomar dünnem Silberiodid, ergab sich zudem ein unerwarteter wissenschaftlicher Durchbruch. Eines der Ziele des Projekts war es, Veränderungen der Kristallstruktur bei erhöhten Temperaturen zu untersuchen. Die Experimente offenbarten jedoch ein wesentlich komplexeres Verhalten als ursprünglich erwartet. Durch die Beobachtung des Materials bei Temperaturen von über 1.000 C mit atomarer Auflösung konnten wir seinen Schmelzvorgang direkt verfolgen und Hinweise auf einen Zwischenzustand entdecken, der als "hexatische Phase" bezeichnet wird. Diese Phase wurde bereits vor mehreren Jahrzehnten theoretisch als möglicher Übergangszustand zwischen Kristall und Flüssigkeit in zwei Dimensionen vorhergesagt, direkte Beobachtungen in komplexen Materialien waren jedoch äußerst selten. Die Entdeckung liefert neue Erkenntnisse zu einer grundlegenden Frage der Festkörperphysik: Wie geht die Ordnung eines Kristalls verloren, wenn er in zwei Dimensionen schmilzt? Die Ergebnisse zeigen, dass neu entwickelte Materialien unerwartete Möglichkeiten eröffnen können, langjährige wissenschaftliche Fragestellungen zu beantworten.