Zweidimensionale Nanoblätter

Unsere Experten: Moritz Wehrmeister, Charlotte Ruhmlieb.

Nanoblätter sind Strukturen, die einen Quanteneinschluss in nur einer Dimension, nämlich der Dicke, aufweisen. Insbesondere zweidimensionale Metall-Chalcogenid-Strukturen sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften von großem Interesse. Darüber hinaus eignen sie sich besonders gut für strukturelle und optoelektronische Einzelteilchenuntersuchungen. Die Modifikation dieser Nanoblätter, z.B. durch einen Kationenaustausch oder durch Anlagerung von Nanopartikeln, führt zu neuen einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials. In unserer Gruppe werden Kupfersulfid (CuS)-Nanoblätter synthetisiert, mit verschiedenen nasschemischen Methoden modifiziert und einzeln auf ihre optischen und elektronischen Eigenschaften untersucht.

Synthese von CuS-Nanoblättern

Bei der nasschemischen Synthese von CuS-Nanoblättern werden eine kupferhaltige Vorstufe und eine schwefelhaltige Komponente in organischen Lösungsmitteln, z.B. Oleylamin, mit Hilfe von computergesteuerten Spritzenpumpen bei hohen Temperaturen kontinuierlich vermischt. Aufgrund der Kristallstruktur des Kupfersulfids und der oberflächenaktiven Liganden bilden sich zweidimensionale Nanoplättchen oder größere Nanoblätter.

**Abb. 1:** Aufbau für die Herstellung zweidimensionaler CuS-Nanoblätter und transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme der Nanoblätter (Maßstab: 500 nm).

Goldwachstum auf CuS-Nanoblättern

Mit einem in dieser Arbeitsgruppe entwickelten Syntheseverfahren können kugelförmige Goldnanopartikel mit Hilfe eines Reduktionsmittels, einer Goldvorläuferverbindung und Liganden selektiv auf die Seitenflächen der Kupfersulfid-Nanoblätter aufgewachsen werden, was zu definierten Halbleiter-Metall-Hybridstrukturen führt.

**Abb.2 :** Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme (mit Inset) von CuS-Nanoblättern mit selektiv aufgewachsenen Goldnanopartikeln (Maßstabsleisten: 200 nm und 50 nm (Inset)).

Kationenaustausch an CuS-Nanoblättern

Um die optischen und elektronischen Eigenschaften der Nanoblätter zu verändern, kann neben einer morphologischen Veränderung der Nanostrukturen auch ein Kationenaustausch (CE) durchgeführt werden (z. B. der Austausch von Kupfer in CuS-Nanoblättern gegen Cadmium). Zur Untersuchung der veränderten strukturellen und optischen Eigenschaften können verschiedene Analysemethoden eingesetzt werden.

Analytischer Aufbau

Nach der Abscheidung einzelner Nanoblätter auf einem transparenten Substrat kann die Bewegung von Ladungsträgern bei Anregung mit Hilfe der Kelvinsonden-Kraftmikroskopie (KPFM) analysiert werden.

**Abb. 4:** Veranschaulichung des Aufbaus für die Untersuchung des Oberflächenpotenzials.

Das transparente Substrat besteht aus einer isolierenden Schicht aus Siliziumdioxid, die von unten durch eine Schicht aus Indiumzinnoxid (ITO) geerdet wird. Dies ermöglicht die optische Anregung durch einen Laser von unten, während die Messungen von oben mit einer Tastspitze durchgeführt werden.

Bei Halbleiter-Metall-Hybridstrukturen ist zu erwarten, dass bei optischer Anregung des Halbleiters Ladungsträger (entweder die Löcher oder die Elektronen) in die Metallnanopartikel wandern. Da die Austrittsarbeit sowohl von Gold als auch von CuS im Bereich von 5,1-5,3 eV liegt, ist unklar, welche Art von Ladungsträger in das Metall wandert. Mit Hilfe von KPFM kann dies zusammen mit den jeweiligen Ladungsträgermobilitäten direkt beobachtet werden.

Kelvinsonden-Kraftmikroskopie an Nanoblättern

Das Oberflächenpotenzial von Nanoblättern gibt Aufschluss über das Auftreten von Streuladungsträgern. Es kann mit KPFM, einer Rastersondenmethode, gemessen werden. Nach dem Kationenaustausch kann eine Änderung des Oberflächenpotenzials (unten) beobachtet werden. Während bei CuS das Oberflächenpotenzial entlang der Schicht glatt ist, wird bei CdS eine Rauheit beobachtet. Hellere Flecken deuten auf das Vorhandensein von Löchern hin, während dunklere Flecken eine Ansammlung von Elektronen anzeigen. Dies deutet darauf hin, dass die Ladungsträgermobilität in CdS geringer ist als in CuS. Folglich verteilen sich die Ladungsträger in CuS gleichmäßiger. Bei der Anregung des Nanoblattes mit einem Laser ist ein erhöhtes Potenzial um die angeregte Position zu erkennen. Dies zeigt, dass die Elektronen eine höhere Mobilität haben als die Löcher. Optisch erzeugte Elektronen bewegen sich vom Laserspot weg und lassen die zu beobachtenden Löcher zurück.

**Abb. 5:** Topografie- (oben) und Oberflächenpotenzialbilder (unten) verschiedener Nanoblätter mit und ohne optische Anregung.

Publikationen

T. Tsangas, C. Ruhmlieb, S. Hentschel, H. Noei, A. Stierle, T. Kipp, A. Mews, Controlled Growth of Gold Nanoparticles on Covellite Copper Sulfide Nanoplatelets for the Formation of Plate–Satellite Hybrid Structures. Chem. Mater. 2022, 34 (3), 1157–1166 (https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03631).
M.M. Kobylinski, C. Ruhmlieb, A. Kornowski, A. Mews, Hexagonally Shaped Two-Dimensional Tin(II)Sulfide Nanosheets: Growth Model and Controlled Structure Formation. J. Phys. Chem. C 2018, 122 (10), 5784–5795 (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b12567).