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Neue Borform leitet Strom zehnmillionenfach besser
Ungewöhnliche Kombination: Forscher haben eine neue reine Borform hergestellt, die deutlich besser Strom leitet als bisher bekannte Bor-Allotrope und sich zugleich plastisch verformen lässt. Imma-B₆₀ erreicht rund 900 Siemens pro Meter und etwa 23 Prozent plastische Deformation. Möglich macht dies ein offenes Kristallgerüst, das über einen Natrium-Vorläufer entsteht.
Qinhuangdao (China). Reines Bor kann je nach Anordnung seiner Atome verschiedene Kristallformen bilden, und viele dieser Allotrope bestehen aus dicht verknüpften B₁₂-Ikosaedern, die hart, spröde und vergleichsweise schlechte elektrische Leiter sind. Eine Borform, die hohe Leitfähigkeit mit ausgeprägter plastischer Verformbarkeit verbindet, ließ sich bisher jedoch nicht herstellen.
Forscher der Yanshan University (YSU) um Xiao-Ji Weng haben nun eine solche Kombination erzeugt. Ihr Imma-B₆₀ besitzt ein offenes Kristallgerüst und zeigt sowohl eine für elementares Bor ungewöhnlich hohe elektrische Leitfähigkeit als auch deutliche plastische Verformung. Das Team hat die neue Phase mit Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie, elektrischen Messungen, theoretischen Rechnungen und mechanischen Tests an Nanopillern untersucht.
Direkt aus reinem Bor ließ sich die offene Struktur nicht herstellen, deshalb synthetisierten die Wissenschaftler zunächst unter hohem Druck den Natrium-Bor-Vorläufer Na₄B₆₀. Zink-Zwischenschichten halfen dabei, größere und besser auswertbare Kristalle des Vorläufers wachsen zu lassen.
Anschließend erhitzte das Team die Na₄B₆₀-Kristalle 48 Stunden lang bei 900 Grad Celsius im Hochvakuum. Dabei wanderte der größte Teil des Natriums aus dem Kristall, während das Borgerüst erhalten blieb. Zurück blieb Imma-B₆₀, eine metastabile Form aus reinem Bor, deren offene Architektur sich auf direktem Syntheseweg nur schwer erreichen lässt.
Das Gerüst besteht aus B₁₂-Ikosaedern, also Käfigen aus zwölf Boratomen, die über dreieckige B₃-Einheiten miteinander verbunden sind. Wo zuvor Natriumatome saßen, bleiben offene Bereiche im Kristall. Diese weniger dicht gepackte Struktur verändert sowohl die elektronischen als auch die mechanischen Eigenschaften des Elements.
Elektrisch unterscheidet sich Imma-B₆₀ deutlich von etablierten Borformen, denn die neue Phase besitzt eine Bandlücke von weniger als 0,2 Elektronenvolt und erreicht eine Leitfähigkeit von rund 9 × 10² Siemens pro Meter. Damit liegt sie etwa sieben Größenordnungen über β-Bor, also ungefähr beim Zehnmillionenfachen.
Die kleine Bandlücke erleichtert es Ladungsträgern, sich durch das Material zu bewegen. Imma-B₆₀ bleibt damit ein Halbleiter, liegt elektrisch aber weit näher an gut leitenden Materialien als die üblichen, deutlich breiter bandlückigen Bor-Allotrope. Entscheidend ist, dass diese Leitfähigkeit ohne ein zweites dauerhaft eingebautes Element entsteht.
Auch mechanisch verhält sich die neue Borform ungewöhnlich, denn bei Kompressionstests an winzigen Imma-B₆₀-Säulen beobachteten die Forscher rund 23 Prozent plastische Deformation. Plastisch bedeutet, dass sich das Material dauerhaft verformt, statt nach Entlastung vollständig in seine Ausgangsform zurückzukehren.
Hochauflösende Aufnahmen zeigen als Ursache einen durch Versetzungen vermittelten Gleitmechanismus. Unter Belastung können sich dadurch bestimmte Bereiche des Atomgitters gegeneinander verschieben. Der offene Aufbau begünstigt solche Gleitbewegungen und unterscheidet Imma-B₆₀ damit von den meist spröden, dicht gepackten Borformen.