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Hochwertige Graphen-Monolayer in einem Schritt

Forscher haben ein Verfahren etabliert, das ein hochwertiges Produkt in einem Schritt entstehen lässt.




Abbildung: Schön anzuschauen, aber das sternenförmige Muster weist auf Defekte im Material hin. Bei einer perfekten Graphenschicht wären nur weiße Punkte auf blauem Grund zu sehen. [Quelle: AG Horn-von Hoegen]
Perfekte Graphenschicht

Es gilt als das elektronische Wundermaterial des 21. Jahrhunderts: Graphen. Bisher ließen sich nur sehr kleine oder qualitativ minderwertige Folien produzieren - zu klein oder untauglich für Hightech-Anwendungen.

Jetzt aber hat Prof. Dr. Michael Horn-von Hoegen vom Center for Nanointegration (CeNIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) ein Verfahren etabliert, das ein hochwertiges Produkt in einem Schritt entstehen lässt. Seine Forschungsergebnisse publizierte er nun in dem renommierten Fachmagazin Applied Physics Letters (siehe unten).

Seine Dicke verhält sich zu einem Blatt Papier wie eben dieses Blatt zur Höhe der Bosporus-Brücke in Istanbul: Graphen - mit Betonung auf der zweiten Silbe - leitet den elektrischen Strom wie kein zweites Material auf der Welt und ist zudem extrem reißfest. Bis vor Kurzem hatte es jedoch einen nicht zu verachtenden Schönheitsfehler: Die weltweite Forschergemeinde war sich einig, dass es nie stabil existieren würde. Doch im Jahr 2004 gelang es den Russen Andre Geim und Konstantin Novoselov, Graphen herzustellen. Dafür erhielten sie 2010 den Nobelpreis für Physik.

Auch an der UDE beschäftigen sich mehrere Projekte mit der Erforschung des Wundermaterials.

Bei Graphen handelt es sich um eine Schicht aus bienenwabenförmig angeordnetem Kohlenstoff, die nur aus einer einzigen Atomlage besteht. Dünner kann ein Material nicht sein. Nun ist es nach wie vor sehr aufwendig, größere Flächen herzustellen. Gelingt dies, lässt die Qualität des Produktes meist zu wünschen übrig. Hier setzt die Forschung der Arbeitsgruppe von Michael Horn-von Hoegen, Professor für Experimentalphysik, an: "Unser Ziel ist es, das Wachstum der Schicht im Detail zu verstehen, um eine Art Kochrezept zu entwickeln, mit dessen Hilfe man Graphen defektfrei, möglichst großflächig und für industrielle Zwecke geeignet herstellen kann", berichtet Horn-von Hoegen.

Das nun publizierte Verfahren hat er in Zusammenarbeit mit Forschern der Universitäten Köln und Twente entwickelt: Das Gas Ethylen wird katalytisch an der Oberfläche eines Iridiumkristalls zersetzt. Dabei lagert sich eine genau einatomige Kohlenstoffschicht auf dem Iridium ab - fertig. Als weltweit einmalige Besonderheit hat das Team um Horn-von Hoegen zudem die Möglichkeit, mittels hochauflösender Elektronenbeugung (LEED) die Qualität des Produkts selbst und direkt im Anschluss zu prüfen. Die LEED lässt Defekte sofort als sternförmige Struktur erscheinen. "Das sieht zwar hübsch aus, bedeutet aber, dass die einzelnen Kohlenstoffwaben gegeneinander verdreht sind", erklärt Horn-von Hoegen. "Daher freuen wir uns über Beugungsbilder, die keine Sterne zeigen - langweilig, aber perfekt."

Graphen wird als einziger echt zweidimensionaler Festkörper überhaupt betrachtet. In ihm bewegen sich Elektronen schneller als in jedem anderen Material. Das bedingt seine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit. In der Batterietechnik, die sich besonders im Hinblick auf strombetriebene Autos derzeit rasant weiterentwickelt, gilt eine Membran aus dem neuen Material zwischen den Batteriepolen als vielversprechend. In Prozessoren künftiger Computer könnte es zudem das Silizium ersetzen und die Technologie um ein Vielfaches beschleunigen: Mehr Prozesse in kürzerer Zeit durch deutlich höhere Taktfrequenzen wären möglich. Da dies nur mit extrem hochwertigem Graphen funktioniert, hat die Arbeit des UDE-Professors hier besondere Bedeutung.


Zusatzinformationen:

H. Hattab, A. T. N’Diaye, D. Wall, G. Jnawali, J. Coraux, C. Busse, R. van Gastel, B. Poelsema, T. Michely, F.-J. Meyer zu Heringdorf und M. Horn-von Hoegen:
Growth temperature dependent graphene alignment on Ir(111) .
In: Applied Physics Letters; Appl. Phys. Lett. 98, 141903 (2011), DOI 10.1063/1.3548546

Quelle: Universität Duisburg-Essen, UDE

 


Aktualisiert am 21.04.2011.



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