Es ist ein Zufallsfund: Die Synthese von Gold war bisher auf freistehende, mehrere Atome dicke Schichten oder auf in Schablonen eingeschlossene Monolagen beschränkt. Nun ist es Forschern gelungen, erstmals eine ultradünne Goldschicht herzustellen, die nur ein Atom dick ist.
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Wissenschaftler haben lange versucht, Goldbleche herzustellen, die nur eine Atomlage dick sind. Sie sind bisher aber an der Neigung von Gold zum Verklumpen gescheitert. Nun ist es es Wissenschaftlern erstmals gelungen, Goldfolien zu erzeugen, die nur eine einzige Atomschicht dick sind.
Den Forschern der Universität Linköping kam dabei eine hundert Jahre alte Methode zugute, die von japanischen Schmieden verwendet wird. Das Material wurde als "Goldene" bezeichnet.
Um die ultradünne Goldfolie herzustellen, verwendeten die Forscher ein dreidimensionales Grundmaterial. Bei diesem wird Gold zwischen Schichten aus Titan und Kohlenstoff eingebettet Die Entwicklung von Goldene erwies sich jedoch als eine Herausforderung. Laut Lars Hultman, Professor für Dünnschichtphysik an der Universität Linköping, ist ein Teil des Fortschritts auf einen glücklichen Zufall zurückzuführen.
"Wir hatten bei der Entwicklung des Grundmaterials ganz andere Anwendungen im Sinn. Wir begannen mit einer elektrisch leitenden Keramik namens Titansiliziumkarbid, bei der das Silizium in dünnen Schichten vorliegt. Die Idee war dann, das Material mit Gold zu beschichten, um einen Kontakt herzustellen. Aber als wir das Bauteil einer hohen Temperatur aussetzten, wurde die Siliziumschicht im Inneren des Grundmaterials durch Gold ersetzt", sagt Lars Hultman.
Dieses Phänomen wird als Interkalation bezeichnet. Seit mehreren Jahren können die Forscher zwar Titangoldkarbid herstellen, ohne aber zu wissen, wie das Gold anschließend sozusagen herausgelöst oder herausgeschwemmt werden kann.
Durch Zufall stieß Lars Hultman auf eine Methode, die seit über hundert Jahren in der japanischen Schmiedekunst verwendet wird. Dort werden Kohlenstoffrückstände mittels der genannten Murakami-Reagenz weggeätzt, um zum Beispiel bei der Herstellung von Messern die Farbe des Stahls zu verändern.
Es war jedoch nicht möglich, genau den gleichen Ansatz der Schmiede für die Goldschicht zu verwenden. Der Forscher Shun Kashiwaya, der mit der Aufgabe betraut wurde, musste nach Modifikationen der Methode suchen.
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"Ich habe verschiedene Konzentrationen von Murakamis Reagenz und verschiedene Zeitspannen für das Ätzen ausprobiert. Ein Tag, eine Woche, ein Monat, mehrere Monate. Wir stellten fest, dass die Ätzung umso besser funktionierte, je niedriger die Konzentration und je länger der Ätzvorgang war. Aber das war immer noch nicht genug", sagt Shun Kashiwaya.
Das Ätzen muss außerdem im Dunkeln erfolgen, da sich bei der Reaktion unter Lichteinwirkung Zyanid entwickelt, das Gold auflöst. Der letzte Schritt bestand darin, die Goldbleche stabil zu machen. Um zu verhindern, dass sich die freigelegten zweidimensionalen Blätter aufrollen, wurde ein Tensid hinzugefügt.
"Die Goldblätter befinden sich in einer Lösung, ein bisschen wie Cornflakes in Milch. Mit einer Art "Sieb" können wir das Gold auffangen und mit einem Elektronenmikroskop untersuchen, um zu bestätigen, dass wir erfolgreich waren.", sagt Shun Kashiwaya, dem die Herstellung der ultradünnen Goldschicht gelungen war.
"Wenn man ein Material extrem dünn macht, passiert etwas Außergewöhnliches – wie bei Graphen. Das Gleiche passiert mit Gold. Gold ist normalerweise ein Metall. Aber wenn es nur ein Atom dick ist, kann das Gold stattdessen zu einem Halbleiter werden", sagt Shun Kashiwaya, Forscher in der Abteilung für Materialdesign an der Universität Linköping.
Nach Angaben der Forscher der Universität Linköping (Schweden) hat das Gold dadurch neue Eigenschaften erhalten, die es für Anwendungen wie die Umwandlung von Kohlendioxid, die Wasserstoffproduktion und die Herstellung von Chemikalien mit hohem Mehrwert geeignet machen können. Ihre Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Synthesis veröffentlicht. In einem nächsten Schritt wollen die LiU-Forscher untersuchen, ob dies auch mit anderen Edelmetallen möglich ist, und weitere zukünftige Anwendungen identifizieren.
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