Arsen für die Elektronik

Kovalent modifiziertes zweidimensionales Arsen

17.10.2018 - Tschechien

Mit der Entdeckung von Graphen, einem Stoff aus einer einzelnen oder wenigen atomaren Kohlenstoffschichten, begann ein Boom – heute sind solche sogenannten zweidimensionalen Materialien nicht mehr auf Kohlenstoff beschränkt und heiße Kandidaten für vielerlei Anwendungen, vor allem in der Mikroelektronik. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Wissenschaftler jetzt ein neues 2D-Material vor. Es gelang ihnen, Arsenen (Arsen in einer Graphen-Struktur) mit Chlormethylen-Gruppen zu modifizieren.

2D-Materialien sind kristalline Materialien aus nur einer Lage von Atomen, die meist mit ungewöhnlichen Eigenschaften aufwarten können. Als Material für Transistoren ist Graphen jedoch nur eingeschränkt geeignet, da es sich mehr wie ein Leiter als wie ein Halbleiter verhält. Graphen-Modifikationen, aber auch 2D-Materialien auf der Basis anderer chemischer Elemente mit Halbleitereigenschaften wurden inzwischen entwickelt. Ein solches Material ist β-Arsenen – zweidimensionales Arsen in Form einer gewellten Wabenstruktur, das sich von grauem Arsen ableitet. Modifikationen des bisher noch recht wenig erforschten Materials könnten dessen Halbleitereigenschaften weiter verbessern und einen Weg zu neuen Anwendungen, z.B. in Sensorik, Katalyse, Optoelektronik und anderen Halbleiteranwendungen, eröffnen, so hofft man.

Dem Team von der Universität für Chemie und Technologie Prag sowie der Nanyang Technological University (Singapur) um Zdeněk Sofer und Martin Pumera ist es jetzt gelungen, eine vielversprechende kovalente Modifikation von β-Arsenen herzustellen.

Das Arsenen stellen die Forscher durch Mahlen von grauem Arsen in Tetrahydrofuran her. Die Scherkräfte sorgen dabei für eine Spaltung in zweidimensionale Lagen und eine Dispergierung der Schichten im Lösungsmittel. Dann leiten sie Dichlormethan ein und geben eine organische Lithiumverbindung (Butyllithium) zu. Aus diesen beiden Reagenzien entsteht als Zwischenprodukt sogenanntes Chlorcarben, ein Molekül aus je einem Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Chloratom. Dem Kohlenstoffatom fehlen damit zwei Bindungspartner, ein Zustand, der die Verbindungsklasse der Carbene hochreaktiv macht. Arsenen wiederum enthält freie Elektronenpaare, die regelrecht von der Oberfläche „abstehen“ und leicht Bindungen zu Chlorcarben eingehen können.

Der Ansatz sorgt für eine starke Bedeckung der Arsenen-Oberfläche mit Chlormethylen-Gruppen, wie durch verschiedene Verfahren (Röntgenphotoelektronenspektroskopie, FT-IR-Spektroskopie, Elementaranalyse mit Transmissionselektronenmikroskopie) nachgewiesen wurde. Das so modifizierte Arsenen ist stabiler als reines Arsenen, zeigt eine starke Lumineszenz und elektronische Eigenschaften, die es für (opto)-elektronische Anwendungen attraktiv machen. Zudem können die Chlormethylen-Einheiten als Ausgangspunkt für weitere interessante Modifikationen genutzt werden.