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Forscher an der RMIT University haben nur wenige Atome dicke Schichten aus Metalloxiden gefertigt, die so in der Natur nicht vorkommen. Diese 2D-Materialien könnten dem Team zufolge beispielsweise die Chemie und die Mikroelektronik revolutionieren. Für letztere versprechen sie etwa ultradünne, hocheffiziente Transistoren. Gelungen sind die 2D-Metalloxide mit einem Flüssigmetall-Verfahren, das die Forscher im Magazin "Science" vorgestellt haben.
Die Idee, 2D-Materialschichten für die Elektronik zu nutzen, ist vor allem dank Kohlenstoff gross geworden. "Wenn man mit einem Bleistift schreibt, bleiben sehr dünne Flocken namens Graphen zurück. Die kann man leicht extrahieren, weil es eine natürliche Schichtstruktur gibt", erklärt RMIT-Materialchemiker Torben Daeneke. Metalloxide wie beispielswweise Galliumoxid, das als Halbleiter in der Elektronik Anwendung findet, kommen in der Natur nicht in einer derart dünnen Schichtform vor. Das RMIT-Team hat allerdings 18 Monate lang mit einem Ansatz experimentiert, dennoch 2D-Schichten von Metalloxiden zu fertigen.
Das Team hat ungiftige Gallium-Legierungen in einem Tropfen eines Flüssigmetalls gelöst. "Das bedeckt die Oberfläche des Flüssigmetalls mit atomdünnen Oxidschichten des beigegebenen Metalls statt dem natürlich vorkommenden Galliumoxid", sagt Daeneke. Wenn der Tropfen dann eine glatte Oberfläche entlangrinnt, hinterlässt er fast wie eine Schnecke eine durchsichtige Spur. Diese besteht allerdings nicht aus Schleim, sondern eben aus einer 2D-Schicht eines Metalloxids. "Grosse Mengen dieser atomdünnen Schichten können gefertigt werden, indem man Luft in das Flüssigmetall einspritzt - in einem Verfahren, das dem Aufschäumen von Milch für Cappucino ähnelt", so der Forscher.
Neue Verfahren zur Fertigung interessanter Materialien haben oft das Problem, dass sie zu komplex und teuer sind. In diesem Fall ist das anders. "Ich könnte meiner Mutter eine Anleitung geben, und sie könnte das daheim machen", meint Daeneke. Zudem ist der Prozess laut RMIT auch sehr günstig. Daher glaubt Kourosh Kalantar-zadeh, Professor für Elektronik und Sensorsysteme, dass das Verfahren weitreichende Bedeutung haben wird. "Wir gehen davon aus, dass die Technologie für rund ein Drittel des Periodensystems funktioniert. Viele dieser atomdünnen Oxide sind halbleitend oder dielektrisch."
Daher könnten 2D-Metalloxide in verschiedenen Bereichen technologisch grosse Sprünge bewirken, beispielsweise in Transistoren und damit einem Grundbaustein moderner Mikroelektronik. "Mit atomdünnen Komponenten zu arbeiten, sollte zu besserer, energieffizienterer Elektronik führen", betont Kalantar-zadeh. Viel Potenzial ortet das RMIT-Team zudem in der Chemie. Dort könnten die extrem dünnen Materialschichten demnach grosse Bedeutung in der Katalyse, einem grundlegenden Verfahren für die Fertigung chemischer Produkte von Arznemitteln bis zu Kunsstoffen, erlangen.