Graphen auf Titancarbid erzeugt neuartigen Phasenübergang
Graphen-induzierter Lifshitz-Übergang von einer blütenblattförmigen Fermi-Fläche zu einer zahnradförmigen Loch-Fermi-Fläche durch vergleichende vollständige Photoemissionskartierung der Bandstrukturen von blankem TiC(111) und Graphen/TiC(111). © HZB
An der Röntgenquelle BESSY II hat ein Team einen Lifshitz-Übergang in TiC entdeckt, der durch eine Beschichtung mit Graphen hervorgerufen wird. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von 2D-Materialien wie Graphen und die Auswirkungen, die sie durch Wechselwirkungen im Nahfeld auf benachbarte Materialien haben.
Das Stapeln von 2D-Materialien bietet Optionen, um Materialeigenschaften auf eine kontrollierbare Weise zu verändern. Allerdings ist der Einfluss von 2D-Materialien auf die Eigenschaften benachbarter Materialien durch Proximity-Effekte noch nicht vollständig geklärt. Insbesondere zeigt sich, dass dies Eigenschaften wie Bandlücken in Halbleitern und exzitonischen Eigenschaften beeinflussen kann. Die Fermi-Flächen von Metallen gehören bisher nicht zu den Eigenschaften, die auf einen Annäherungseffekt reagieren.
Die Fermi-Fläche eines Metalls ist ein mathematisches Konzept, das die Elektronen mit der höchsten Energie im Material abbildet. Nur diese Elektronen sind an Eigenschaften wie der elektrischen Leitfähigkeit beteiligt. Ein wichtiger Aspekt der Fermi-Fläche ist, dass sie die Elektronen in Bezug auf die Richtung ihrer Bewegung darstellt.
Die neue Studie von Andrei Varykhalov und seinen Kollegen bei BESSY II zeigt, dass eine Graphenschicht einen Lifshitz-Übergang im oberflächennahen Bereich eines darunter liegenden Metalls, TiC, hervorrufen kann: Die Fermi-Fläche wandelt sich von einer lochartigen zu einer elektronenartigen Fermi-Fläche. Die Änderung der Fermi-Fläche ist besonders relevant, da dies auch die Richtung der Elektronenbewegung und im Magnetfeld auch die Richtung des makroskopischen elektrischen Stroms ändert.
Die Entdeckung eröffnet einen neuen Weg zur Kontrolle und Manipulation der elektronischen Eigenschaften von Materialien. Dies könnte für eine Reihe von technologischen Anwendungen spannend sein, zum Beispiel für die Entwicklung von Materialien mit Quanteneigenschaften wie Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.
- Helmholtz-Promotionspreis für Hanna TrzesniowskiHanna Trzesniowski hat während ihrer Promotion am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) an nickelbasierten Elektrokatalysatoren für die Wasserspaltung geforscht. Ihre Arbeit trägt dazu bei, das Verständnis der alkalischen Wasserelektrolyse zu vertiefen und den Weg für die Entwicklung effizienterer und stabilerer Katalysatoren zu ebnen. Dafür erhielt sie am 8. Juli 2025 den Helmholtz-Promotionspreis, der die besten und originellsten Doktorarbeiten der Helmholtz-Gemeinschaft würdigt.
- MXene als Wasserstoff-Speicher: Auf die Diffusionsprozesse kommt es anFür die Speicherung von Wasserstoff sind 2D-Materialien wie MXene von großem Interesse. Ein Experte aus dem HZB hat die Diffusion von Wasserstoff in MXene mittels Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die Modellierungen liefern Einblicke in die wichtigsten Diffusionsmechanismen und die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Ti3C2 MXene und liefern eine belastbare Grundlage für experimentelle Untersuchungen.