Einem internationalen Forschungsteam um Dr. Fagui He und Prof. Christian Klinke von der Universität Rostock ist ein bedeutender Fortschritt in der Materialwissenschaft gelungen: die Entwicklung einer kontrollierten, skalierbaren und kosteneffizienten Methode zur Herstellung hochwertiger, ultraflacher Bismut-Nanokristalle. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Fachjournal Small, demonstrieren, dass diese Materialien, die für zukünftige Quanten-, Spintronik- und Energietechnologien vielversprechend sind, nun effizienter hergestellt und charakterisiert werden können. So ist es gelungen die elektronischen Eigenschaften einzelner Nanostrukturen direkt abzubilden.
Die einzigartigen elektronischen Eigenschaften von Bismut, wie die starke Spin-Bahn-Kopplung und hohe thermoelektrische Effizienz, machen es zu einem idealen Kandidaten für die Erforschung neuartiger Quantenphänomene. Bisherige Synthesemethoden waren jedoch oft teuer, wenig skalierbar und lieferten keine konsistente Qualität der zweidimensionalen (2D) Nanoschichten. Der neue Ansatz basiert auf einer optimierten kolloidalen Synthese, bei der durch die Kontrolle der Prozess-Parameter die laterale Größe der Nanoschichten präzise gesteuert werden kann. Insbesondere die größeren Nanoschichten weisen eine außergewöhnlich hohe intrinsische Oxidationsbeständigkeit und Langzeitstabilität bei Umgebungsbedingungen auf. Diese Robustheit wird auf ihre atomar glatte Oberfläche zurückgeführt, die reaktive Kanten minimiert.
Ein entscheidender Aspekt der Arbeit ist die Möglichkeit, diese kolloidal hergestellten Nanoschichten als individuelle Kristalle direkt mit hochentwickelten Techniken wie der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (μ-ARPES) am Synchrotron ELETTRA in Trieste zu untersuchen. ARPES ist eine Methode, die es ermöglicht, die elektronische Bandstruktur von Materialien detailliert zu visualisieren. Die Messungen an einzelnen Nanoschichten zeigten eine exzellente Übereinstimmung mit theoretischen Berechnungen und bestätigten die hohe Kristallqualität und strukturelle Einheitlichkeit des Materials.
Diese Forschungsergebnisse unterstreichen das Potenzial der lösungsbasierten Synthese als skalierbare Plattform für die Herstellung und Charakterisierung von hochqualitativen 2D-Materialien, die nun für die Integration in fortschrittliche Technologien der Zukunft bereitstehen.
Die Arbeiten profitierten zudem von der im Sonderforschungsbereich LiMatI (SFB 1477 „Licht-Materie-Wechselwirkungen“) entwickelten Expertise mehrerer beteiligter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
Veröffentlichung:
Fagui He, Yan Yan Grisan Qiu, Simone Mearini, Vitaliy Feyer, Kevin Oldenburg, Rostyslav Lesyuk, Christian Klinke: Tunable Colloidal Synthesis Enabling μ-ARPES on Individual Two-dimensional Bismuth Nanocrystals, Small (2026) e12032
Kontakt:
Prof. Dr. Christian Klinke
Institut für Physik
Universität Rostock
E-Mail: christian.klinke@uni-rostock.de