Neues Material Neu entdecktes 2D-Material namens Beryllonitren

Redakteur: Peter Königsreuther

Eins der mittlerweile bekanntesten zweidimensionalen Materialien ist das kohlenstoffbasierte Graphen. Aus Stickstoff und Beryllium konnte nun das nächste hergestellt werden.

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Eine einzelne Beryllonitren-Schicht besteht aus BeN₄-Fünfecken und Be₂N₄-Sechsecken. Die Beryllium-Atome sind als graue Bällchen, Stickstoff-Atome als blaue Bällchen dargestellt.
Eine einzelne Beryllonitren-Schicht besteht aus BeN₄-Fünfecken und Be₂N₄-Sechsecken. Die Beryllium-Atome sind als graue Bällchen, Stickstoff-Atome als blaue Bällchen dargestellt.
(Bild: M. Bykov)

Einem internationalen Forschenden-Team an der Universität Bayreuth ist es mithilfe von Hochdruckeinfluss (rund 100 Gigapascal) erstmals gelungen, ein bisher unbekanntes, zweidimensionales Material zu entdecken. Das neue Material heißt chemisch korrekt Beryllonitren. Es besteht aus regelmäßig angeordneten Stickstoff- und Berylliumatomen. In der Zeitschrift „Physical Review Letters“ stellte man die Entdeckung nun vor.

Stickstoff- und Berylliumatome im zweidimensionalen Miteinander

Es handelt sich um sogenannte Berylliumpolynitride, von denen einige dem monoklinen (einfach geneigten), andere dem triklinen (dreifach geneigten) Kristallsystem angehören, erklären die Protagonisten. Das Besondere: sinkt der Druck, legen die triklinen Berylliumpolynitride ein ungewöhnliches Verhalten an den Tag, denn sie nehmen eine aus Schichten aufgebaute Kristallstruktur an. Jede Schicht enthält zickzackförmige Stickstoffketten, die durch Berylliumatome verbunden sind (siehe Bilder). Sie kann deshalb als eine flächige Struktur beschrieben werden, die aus BeN₄-Fünfecken und Be₂N₄-Sechsecken besteht. Somit stellt jede Schicht ein zweidimensionales Material dar – Beryllonitren. Diese Verbindung kann als Präkursor für ein 2D-Material mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften dienen. Dieser faszinierende Erfolg war nur mithilfe eines im Labor erzeugten Kompressionsdrucks möglich, der nahezu eine Million Mal höher ist als der Druck der Erdatmosphäre“, erläutern Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth und Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth.

Beryllonitren könnte für die Quantentechnik attraktiv sein

Beryllonitren ist ein qualitativ neues 2D-Material, betonen die Forschenden. Im Unterschied zum Graphen baut sich aus der zweidimensonalen Kristallstruktur des Beryllonitrens ein leicht verzerrtes elektronisches Gitter auf. Daraus kann man auf elektronischen Eigenschaften schließen, die Beryllonitren, falls es sich eines Tages im Industriemaßstab herstellen ließe, hervorragend für Anwendungen in der Quantentechnologie mache. In diesem noch jungen Gebiet der Quantenforschung geht es darum, quantenmechanische Eigenschaften und Strukturen von Materie für technische Innovationen zu nutzen. Man denkt dabei etwa an den Bau von Hochleistungscomputern oder an neuartige Verschlüsselungstechniken mit dem Ziel einer spionagesicheren Kommunikation.

Ein Verfahren für die Herstellung von Beryllonitren im Industriemaßstab wird es allerdings nicht geben können, solange dafür solch extrem hohe Drücke erforderlich sind, die sich bisher nur im Forschungslabor erzeugen lassen. Es ist jedoch sehr wichtig, dass die neue Verbindung bei der Dekompression entstanden ist und unter Umgebungsbedingungen existieren kann, merken die Forschenden an. Grundsätzlich könne man nicht ausschließen, dass es eines Tages möglich sein wird, Beryllonitren oder ein ähnliches 2D-Material mit technisch weniger aufwändigen Verfahren nachzubauen und industriell zu nutzen.

Internationale Arbeit und Forschungsförderung

Die in den „Physical Review Letters“ publizierten Forschungsergebnisse sind aus einer weltweiten Kooperation namhafter Universitäten und Forschungseinrichtungen hervorgegangen. An dieser Zusammenarbeit haben mitgewirkt: die Universität Bayreuth und das Deutsche Elektronen-Synchrotron in Hamburg (Deutschland); die Universität Linköping (Schweden); die Radboud Universität in Nimwegen (Niederlande); die European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble (Frankreich); die National University of Science and Technology in Moskau sowie die Ural Federal University in Ekaterinburg (Russland); die Wuhan University (China); die Carnegie Institution for Science in Washington, die Howard University in Washington, das Center for Advanced Radiation Sources an der University of Chicago und das Argonne National Laboratory (USA). Die Forschungsarbeiten an der Universität Bayreuth wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Alexander von Humboldt-Stiftung gefördert.

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