Molybdäntrioxid (MoO3) hat das Potenzial, ein wichtiges zweidimensionales (2-D) Material zu werden, seine Massenproduktion bleibt jedoch hinter der anderer seiner Klasse zurück. Jetzt haben Forscher von A*STAR eine einfache Methode zur Massenproduktion ultradünner, hochwertiger MoO3-Nanoblätter entwickelt.

Nach der Entdeckung von Graphen erregten andere 2D-Materialien wie Übergangsmetalldi-Chalkogenide große Aufmerksamkeit. Insbesondere MoO3 hat sich aufgrund seiner bemerkenswerten elektronischen und optischen Eigenschaften, die vielversprechend für eine Reihe neuer Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik und Elektrochromie sind, als wichtiges zweidimensionales Halbleitermaterial herausgestellt.

Liu Hongfei und Kollegen vom A*STAR Institute of Materials Research and Engineering und vom Institute of High Performance Computing haben versucht, eine einfache Technik zur Massenproduktion großer, hochwertiger Nanoblätter aus MoO3 zu entwickeln, die flexibel und transparent sind.

„Atomdünne Nanoblätter aus Molybdäntrioxid haben neuartige Eigenschaften, die in einer Reihe elektronischer Anwendungen genutzt werden können“, sagt Liu. „Aber um qualitativ hochwertige Nanoblätter herzustellen, muss der Ausgangskristall von sehr hoher Reinheit sein.“

Mithilfe einer Technik namens thermischer Dampftransport verdampften die Forscher zunächst MoO3-Pulver in einem Röhrenofen bei 1.000 Grad Celsius. Durch die Reduzierung der Anzahl der Keimbildungsstellen könnten sie dann die thermodynamische Kristallisation von MoO3 besser anpassen, um bei 600 Grad Celsius hochwertige Kristalle zu erzeugen, ohne dass ein bestimmtes Substrat erforderlich wäre.

„Im Allgemeinen wird das Kristallwachstum bei erhöhten Temperaturen durch das Substrat beeinflusst“, erklärt Liu. „Ohne ein absichtliches Substrat könnten wir das Kristallwachstum jedoch besser kontrollieren und so Molybdäntrioxid-Kristalle von hoher Reinheit und Qualität züchten.“

Nachdem die Kristalle auf Raumtemperatur abgekühlt waren, erzeugten die Forscher durch mechanisches und wässriges Peeling Gürtel aus MoO3-Kristallen mit einer Dicke im Submikronbereich. Nachdem sie die Bänder einer Ultraschallbehandlung und Zentrifugation unterzogen hatten, konnten sie große, hochwertige MoO3-Nanoblätter herstellen.

Die Arbeit hat neue Einblicke in die elektronischen Wechselwirkungen zwischen den Schichten von 2-D-MoO3-Nanoblättern geliefert. Die vom Team entwickelten Kristallwachstums- und Peeling-Techniken könnten auch bei der Manipulation der Bandlücke – und damit der optoelektronischen Eigenschaften – von 2D-Materialien durch die Bildung von 2D-Heteroübergängen hilfreich sein.

„Wir versuchen jetzt, 2D-MoO3-Nanoblätter mit größeren Flächen herzustellen und untersuchen deren mögliche Verwendung in anderen Geräten, beispielsweise Gassensoren“, sagt Liu.