Neue Methode wirft Licht auf Nanomaterialien der nächsten Generation: Wie MXene wirklich funktionieren

Forscher haben erstmals die tatsächlichen Eigenschaften einzelner MXene-Flocken gemessen – einem spannenden neuen Nanomaterial mit Potenzial für bessere Batterien, flexible Elektronik und Geräte für saubere Energie. Mithilfe einer neuartigen lichtbasierten Technik namens spektroskopische Mikroellipsometrie haben sie herausgefunden, wie sich MXene auf der Ebene einzelner Flocken verhalten, und dabei Veränderungen in der Leitfähigkeit und der optischen Reaktion aufgedeckt, die zuvor bei der Untersuchung nur gestapelter Schichten verborgen geblieben waren. Dieser Durchbruch liefert das grundlegende Wissen und die Werkzeuge, die für die Entwicklung intelligenterer und effizienterer Technologien auf Basis von MXenen erforderlich sind.

Wissenschaftler haben einen Durchbruch beim Verständnis der grundlegenden intrinsischen Eigenschaften von MXenen erzielt – einer Materialklasse, die wegen ihres Potenzials für Energiespeicher der nächsten Generation und fortschrittliche Elektronik hochgelobt wird.

MXene (ausgesprochen „Maxene“) sind ultradünne Materialien mit einer Dicke von nur wenigen Atomen, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, Elektrizität zu leiten, Energie zu speichern und mit Licht zu interagieren. Bislang wurden MXene jedoch meist in ihrer Gesamtform untersucht – als dünne Filme, die aus vielen übereinanderliegenden Flocken bestehen. Dieser Ansatz war zwar nützlich, verdeckte jedoch die einzigartigen Eigenschaften einzelner Flocken und ließ Fragen über ihr wahres Potenzial offen.

Die neue Studie wurde von Dr. Andreas Furchner vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zusammen mit Dr. Ralfy Kenaz vom Institut für Physik der Hebräischen Universität (HUJI) geleitet – eine enge Zusammenarbeit zwischen den Forschungsgruppen von Dr. Tristan Petit und Prof. Ronen Rapaport. Sie zeigt zum ersten Mal, wie sich einzelne MXene-Flakes verhalten, wenn sie isoliert und im Nanobereich untersucht werden. Die Ergebnisse wurden kürzlich in ACS Nano veröffentlicht, einer der weltweit führenden Fachzeitschriften für Nanowissenschaften und Nanotechnologie.

Die Ellipsometrie ist eine der fortschrittlichsten nicht-invasiven optischen Techniken zur Materialcharakterisierung. Herkömmliche Ellipsometer haben jedoch von Natur aus Schwierigkeiten, Bereiche zu messen, die kleiner als 50 Mikrometer sind – etwa die Breite eines menschlichen Haares –, sodass sie für die Analyse der in der modernen Technologie und Forschung üblichen mikroskopischen Strukturen ungeeignet sind. Infolgedessen beschränkten sich ellipsometrische Messungen an MXenen bisher auf makroskopische Dünnschichten aus gestapelten, überlappenden Flocken. Diese Einschränkung verhinderte direkte Messungen einzelner MXene-Flocken, deren laterale Abmessungen viel kleiner sind, und stand somit einem echten Verständnis ihrer intrinsischen Eigenschaften im Wege.

Um dieses Problem zu lösen, setzten die Forscher eine von ihnen entwickelte, fortschrittliche, patentierte Technik ein, die sie als spektroskopische Mikroellipsometrie (SME) bezeichnen – im Wesentlichen eine Art „optischer Fingerabdruck“ –, mit der sie die optischen, strukturellen und elektronischen Eigenschaften einzelner MXene-Flocken mit hoher lateraler Auflösung und ohne Beschädigung messen konnten. In der Studie wurden einzelne MXene-Flocken unterschiedlicher Dicke im HZB synthetisiert und zur SME-Messung an die HUJI geschickt. Ergänzende Messungen im Nanobereich wurden im Nanozentrum der HUJI durchgeführt, und alle Datenanalysen wurden gemeinsam von beiden Gruppen durchgeführt.

Durch Bestrahlung mikroskopisch kleiner Flocken, die nur eine Molekülschicht dick sind, mit Licht definierter Polarisation und Analyse der Reflexion dieses Lichts konnten die Forscher kartieren, wie sich die Fähigkeit des Materials, Elektrizität zu leiten und mit Licht zu interagieren, in Abhängigkeit von seiner Dicke und seinen strukturellen Eigenschaften verändert. Sie entdeckten, dass der elektrische Widerstand von MXene-Flocken mit zunehmender Dünne zunimmt – eine wichtige Erkenntnis für die Entwicklung zuverlässiger Hochleistungsgeräte.

Die Methode war so präzise, dass sie mit nanoskaligen Bildgebungswerkzeugen wie der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) mithalten konnte, was ihre Leistungsfähigkeit als nicht-invasives Diagnosewerkzeug bestätigte.

Dr. Furchner vom Helmholtz-Zentrum Berlin, der sein umfangreiches Fachwissen im Bereich Ellipsometrie in das MXene-Feld einbrachte, bemerkte:

Dr. Kenaz von der Hebräischen Universität, Entwickler und Miterfinder der SME-Technik, sagte:

Dr. Petit vom Helmholtz-Zentrum Berlin fügte hinzu:

MXene werden für eine Vielzahl von Anwendungen erforscht – von ultraschnellen Batterien und Wasseraufbereitungssystemen bis hin zu flexibler Elektronik und Solarenergiegewinnung. Das Verständnis des Verhaltens des Materials auf Einzelblättchenebene ist für die Entwicklung effizienter und skalierbarer Geräte von entscheidender Bedeutung.

Prof. Rapaport von der Hebräischen Universität fügte hinzu:

Die Studie erschließt nicht nur grundlegendes Wissen über MXene, sondern etabliert auch die spektroskopische Mikroellipsometrie als neuen Standard für die Analyse von 2D-Materialien. Mit diesem Durchbruch könnten Wissenschaftler weltweit bald in der Lage sein, andere neu entstehende Nanomaterialien auf die gleiche Weise zu untersuchen.

Dr. Petit vom Helmholtz-Zentrum Berlin fasst zusammen: