Neuer Graphen-Ersatz: Wissenschaftler machen bahnbrechende Entdeckung in der MXene-Klasse

In der Materialwissenschaft hat es einen lang ersehnten technologischen Durchbruch gegeben. Forscher des Ningbo-Instituts für Materialtechnologie und -technik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Zhejiang-Universität haben erfolgreich das weltweit erste lanthanidbasierte zweidimensionale MXene-Material hergestellt. Die in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Entdeckung wird voraussichtlich die Zukunft der modernen Elektronik und Rechentechnik grundlegend verändern. Dies berichtet Ixbt.com. berichtet .

Während Graphen aus einer Kohlenstoffschicht von der Dicke eines Atoms besteht, ist MXene ähnlich ultradünn, aber seine Schichten enthalten Übergangsmetalle (Titan, Vanadium, Niob usw.) zusammen mit Kohlenstoff oder Stickstoff. Der Haupterfolg der Wissenschaftler besteht darin, dass es ihnen zum ersten Mal gelungen ist, zwei Eigenschaften in einem einzigen Material zu vereinen, die zuvor in der MXene-Klasse nicht gemeinsam vorkamen: Halbleiterfähigkeit und Ferromagnetismus.

Während die meisten bisher bekannten MXene-Materialien eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, waren sie für Geräte ungeeignet, die eine gleichzeitige Steuerung sowohl elektrischer als auch magnetischer Eigenschaften erfordern. Laut Ixbt.com überwindet die neue Entdeckung genau diese Einschränkung und ermöglicht es, den Elektronenfluss und ihren magnetischen Zustand gleichermaßen zu kontrollieren.

„Chemische Schere“-Technologie und der Syntheseprozess

Um dieses Ergebnis zu erzielen, entwickelten die Forscher eine neue Synthesemethode namens „chemische Schere“. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Kristallstruktur auf atomarer Ebene zu „schneiden“, das heißt einzelne Atomschichten gezielt zu entfernen, zu ersetzen oder neu anzuordnen. Infolgedessen können Wissenschaftler das Material wie einen Baukasten zusammensetzen und ihm vorgegebene Eigenschaften verleihen.

Der Prozess besteht aus zwei Phasen: Zunächst reagiert ein Metallhalogenid aus der Lanthanoidengruppe mit einem Kupferhalogenid. Anschließend interagiert diese Verbindung bei hohen Temperaturen mit Graphit, um eine neue Schichtstruktur zu bilden, in der Metall-, Kohlenstoff- und Halogenatome abwechselnd angeordnet sind. Tests bestätigten die stabilen ferromagnetischen Eigenschaften des Materials vollständig.

Spintronik und zukünftige Geräte

Die Entwicklung des neuen Materials ist besonders entscheidend für den Bereich der Spintronik. Im Gegensatz zur herkömmlichen Mikroelektronik nutzt die Spintronik nicht nur die Ladung eines Elektrons, sondern auch dessen Spin (magnetisches Moment). Dies dient dazu, Geräte noch schneller, kompakter und energieeffizienter zu machen.

Wissenschaftlern zufolge kann dieses neue MXene-Material in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

• Leistungsstarke Logikprozessoren;
• Hochfrequenz-Kommunikationssysteme und 6G-Technologien;
• Speicherelemente der nächsten Generation und Magnetsensoren;
• Komponenten für Quantencomputer.

Die Autoren der Studie betonen, dass die Methode der „chemischen Schere“ universell ist und in Zukunft genutzt werden kann, um eine ganze Familie neuer Materialien zu schaffen, deren optische, magnetische und elektrische Eigenschaften vorprogrammiert sind. Für Länder, die eine technologische Modernisierung anstreben, sind solche Grundlagenforschungsergebnisse von Bedeutung, da sie in Zukunft neue Standards in der Halbleiterindustrie setzen werden.