Goldiger Halbleiter

Linköping (Schweden) - Hauchdünne, nur eine Atomlage dicke Materialien zeigen verblüffende und neue Eigenschaften. Berühmtestes Beispiel ist Graphen aus dem Element Kohlenstoff, das eine einzigartige elektrische Leitfähigkeit zeigt. Auch aus den Elementen Bor, Gallium oder Silizium ließen sich schon solche 2D-Materialien mit den Namen Borophen, Gallenen und Silicen herstellen. Nun gelang es schwedischen Forschenden erstmals, auch aus Gold extrem dünne, zweidimensionale Schichten herzustellen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Synthesis“ berichten, wandelt sich dabei Gold von einem elektrischen Leiter in Golden mit halbleitenden Eigenschaften.

Das Team um Shun Kashiwaya aus der Abteilung für Materialdesign an der Universität Linköping mussten für die Herstellung von Golden einen komplizierten Syntheseweg einschlagen. Nur so verhinderten sie, dass sich die dünnen Goldschichten von selbst wieder schnell zu dickeren Materialproben zusammenballte. Als Ausgangspunkt wählten die Forschenden Titansiliziumcarbid, eine elektrisch leitfähige Keramik. Auf diese Keramik deponierten sie eine dickere Goldschicht. Aufgeheizt auf 670 Grad Celsius wanderten nun über einen Zeitraum von zwölf Stunden Goldatome in die Keramik und ersetzten nach und nach das enthaltene Silizium. Ergebnis war die Keramik Titangoldcarbid.

In weiteren Arbeitsschritten mussten Kashiwaya und seine Kolleginnen und Kollegen die eingelagerte, zweidimensional Goldschicht noch freilegen. Dazu nutzten sie eine so genannte Murakami-Reagenz. Diese Flüssigkeit ätzte langsam die abdeckende Carbid-Schicht ab und löste die hauchdünnen, zweidimensionalen Goldlagen ab. Erfolgreich lief dieser Prozess allerdings nur in völliger Dunkelheit ab. Denn unter Einfall von Licht reagierte das Gold direkt mit einem Bestandteil des Murakami-Ätzmittels und bildete Goldcyanid. Zum Abschluss ließen sich die abgelösten, 2D-Goldlagen in einer Tensid-haltigen Flüssigkeit stabilisieren.

Erste Messungen an Golden zeigten, dass die zweidimensionalen Goldlagen einen Halbleiter bildeten im Unterschied zu massivem Gold, das ein sehr guter elektrischer Leiter ist. Zudem sind die Golden-Lagen wegen zwei freier Bindungen pro Atom ausgesprochen reaktionsfreudig. Daher können sich die Forschenden viele Anwendungen von Katalysatoren für die Wasserstoff-Produktion, die Bindung von Kohlendioxid oder die Reinigung von Wasser vorstellen. Auf der Basis der erfolgreichen Golden-Synthese will die Gruppe um Kashiwaya nun weitere Edelmetalle ins Auge fassen und daraus ebenfalls neue 2D-Materialien herstellen.