Ein japanisches Forschungsteam unter der Leitung von Professor Minoru Osada vom Institute for Materials and Systems for Sustainability (IMaSS) der Universität Nagoya hat ein Verfahren zur schnellen, großflächigen Abscheidung zweidimensionaler (2D) Materialien wie Oxiden, Graphenoxid und Bornitrid entwickelt. Diese innovative Technik, bekannt als „spontane integrierte Transfermethode“, wurde zufällig entdeckt; sie verspricht jedoch, die Produktion von Nanoschichten zu revolutionieren.
Die Forschungsergebnisse waren veröffentlicht im Journal Klein.
Nanoschichten zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur wenige Atome dick sind. Aufgrund ihrer im Verhältnis zu ihrem Volumen großen Oberfläche weisen diese Schichten außergewöhnliche elektronische, optische, mechanische und chemische Eigenschaften auf. Nanoschichten haben das Potenzial, die moderne Elektronik und Materialwissenschaft zu revolutionieren.
Traditionell werden zur Herstellung von Nanoschichten Verfahren wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und die Langmuir-Blodgett-Technik (LB) eingesetzt. Allerdings sind diese Verfahren mit erheblichen Hindernissen verbunden, darunter Schwierigkeiten bei der Erzielung einer gleichmäßigen, großflächigen Abscheidung und Komplikationen beim Substrattransferprozess.
Auf der Suche nach einer effektiveren Abscheidungstechnologie entdeckte Osadas Team rein zufällig ein faszinierendes Phänomen: Wenn Nanoschichten nass werden, ordnen sie sich spontan auf der Wasseroberfläche an und bilden innerhalb von nur 15 Sekunden dichte Filme. Dieser als „spontanes Ausbreitungsphänomen“ bezeichnete Prozess legte eine effektivere Abscheidungstechnologie nahe.
Die Gruppe testete diese Technik, indem sie eine Nanoschicht-Lösungsmittelmischung auf die Wasseroberfläche fallen ließ. Aufgrund der höheren Flüchtigkeit von Ethanol im Vergleich zu Wasser verdunstet es schneller und erzeugt einen Konzentrationsgradienten an der Oberfläche.
Bereiche mit stärkerer Ethanolverdunstung haben eine höhere Oberflächenspannung als Bereiche mit höherer Ethanolkonzentration. Dieser Unterschied in der Oberflächenspannung führt dazu, dass Flüssigkeit von Bereichen mit niedrigerer zu Bereichen mit höherer Spannung wandert, wodurch Konvektionsströme entstehen. Diese Ströme leiten die Nanoblätter innerhalb der Lösung und bewirken, dass sie sich in einer geordneteren und dichteren Formation auf der Wasseroberfläche anordnen.
„Die Nanoblätter ordnen sich spontan an und lagern sich eng zusammen, ähnlich wie Eisschollen, die auf einer Wasseroberfläche zusammenkommen“, sagte Osada. „Diese kontrollierte Ausrichtung ist für die Herstellung gleichmäßiger und qualitativ hochwertiger Nanoblattfilme unerlässlich. Der resultierende Nanoblattfilm kann dann problemlos auf ein Substrat übertragen werden, wobei der Abscheidungsprozess in nur einer Minute abgeschlossen ist.“
Diese Methode vereinfacht nicht nur den Produktionsprozess, sondern ermöglicht auch die Herstellung von mehrschichtigen Dickfilmen mit 100 bis 200 Schichten – etwas, das mit herkömmlichen Methoden wie CVD und LB nur schwer zu erreichen war. Rasterkraftmikroskopie und konfokale Lasermikroskopie bestätigten, dass die mit dieser Technik hergestellten Nanoschichtfilme sehr gleichmäßig waren und dicht gepackte Nanoschichten wie Puzzleteile angeordnet waren.
Die Gruppe war von der Vielseitigkeit dieser Technik überrascht und konnte sie erfolgreich auf verschiedene Nanoblattzusammensetzungen und -strukturen anwenden, was die Herstellung großflächiger Filme auf Substraten unterschiedlicher Formen und Materialien ermöglicht.
„Die mit dieser Technologie hergestellten Mehrschichtfilme weisen hervorragende Eigenschaften als funktionale Dünnfilme auf. Sie könnten in transparenten leitfähigen Filmen, dielektrischen Filmen, photokatalytischen Filmen, Korrosionsschutzfilmen und Wärmeschutzfilmen verwendet werden“, sagte Osada.
Neben den technologischen Vorteilen betonte Osada auch die Umweltvorteile dieser Methode und sagte: „Diese Technologie dürfte sich zu einem wichtigen umweltfreundlichen Öko-Prozess entwickeln, da sie die Produktion dünner Filme auf verschiedenen Substraten bei Raumtemperatur und in einem wässrigen Lösungsprozess ermöglicht, ohne dass Vakuumfilmbildungsgeräte oder teure Werkzeuge erforderlich sind, die bei herkömmlichen Dünnschichtprozessen üblich sind.“
Weitere Informationen:
Yue Shi et al, Ultraschnelle 2D-Nanosheet-Assemblierung durch spontanes Ausbreitungsphänomen, Klein (2024). DOI: 10.1002/smll.202403915