Elektroneninjektion erzeugt neuartige kristalline Kohlenstoffe

16.01.2023 - China

Die Ladungsinjektion wurde in großem Umfang zur Abstimmung des Energieniveaus von Elektronen in Halbleitern eingesetzt, ohne deren mikroskopische Strukturen zu verändern. Vor kurzem entdeckte ein Forscherteam unter der Leitung von Professor ZHU Yanwu von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) eine weitere Funktion der Ladungsinjektion. Durch Aufladung von C60-Molekülen, die periodisch in einem kubisch flächenzentrierten (fcc) Gitter angeordnet sind, mit a-Li3N wurde ein neuartiger langreichweitig geordneter poröser Kohlenstoffkristall (LOPC) gebildet. Das Ergebnis wurde veröffentlicht in Natur.

Im Gegensatz zu den meisten elementaren Kristallen, deren Bausteine aus einer Vielzahl von Atomen bestehen, ist der Baustein für LOPC in dieser Studie ein C60-Molekül, das allgemein als Socceren oder Buckyball bekannt ist. LOPC besitzt die Eigenschaften sowohl einer langreichweitigen Ordnung im dreidimensionalen (3D) Kristall als auch teilweise gebrochener C60-Moleküle, die als Bausteine verbunden sind.

Bei hohen Temperaturen und Umgebungsdruck gibt a-Li3N Elektronen an die C60-Moleküleab, was zur Ausdehnung der Elektronenwolke um C60 führt. Mit Hilfe der gebildeten Dipole kann sich die Elektronenwolke an benachbarten C60-Molekülen im fcc-Gitter überlappen und kovalente Bindungen (C-C-Bindungen) zwischen den C60-Molekülen bilden.

Die Methode der chemischen Aktivierung mit Kaliumhydroxid, mit der es gelungen ist, Graphen zu einem 3D-Kohlenstoff zu rekonstruieren, wurde von dem Forscherteam ebenfalls übernommen. Ein solcher 3D-Kohlenstoff weist jedoch eine ungeordnete Struktur auf, da die chemische Aktivierung im Vergleich zur Elektroneninjektion aus α-Li3N zu heftig ist. Die Überlegenheit der Elektroneninjektion hat sich darin gezeigt, dass die periodische Stapelung der Nanomaterialien, die als Bausteine dienen, erhalten bleibt.

Viele potenzielle Anwendungen von LOPC sollen in Zukunft erforscht werden. Aufgrund der hohen Porosität könnte es beispielsweise reichlich Flüssigkeits- oder Gasdiffusionswege bieten, was es zu einem hervorragenden Kandidaten für die Beladung von Katalysatoren macht.

Die in der Studie vorgeschlagene Methode der Elektroneninjektion bietet einen neuen Ansatz für den Aufbau neuer Materialien in der Art von LEGO, der eine präzise Kontrolle der Grenzflächen in den Kristallstrukturen ermöglicht.

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