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Kagome-Graphen verspricht spannende Eigenschaften

19. Februar 2021, 09:39 Uhr   |  Ralf Higgelke

Kagome-Graphen verspricht spannende Eigenschaften
© R. Pawlak, Universität Basel

Kagome-Graphen zeichnet sich durch ein regelmäßiges Gitter aus Sechs- und Dreiecken aus. Es verhält sich wie ein Halbleiter und könnte zudem ungewöhnliche elektrische Eigenschaften besitzen.

Eine neuartige Graphen-Verbindung aus Kohlenstoff- und wenigen Stickstoffatomen haben Physiker der Universität Basel hergestellt. Dieses regelmäßige Kagome-Gitter aus Sechsecken und Dreiecken verhält sich wie ein Halbleiter und könnte weitere ungewöhnliche elektrische Eigenschaften besitzen.

Forschende weltweit befinden sich auf der Suche nach neuen synthetischen Materialien, die besondere Eigenschaften wie die der Supraleitung – die Leitung elektrischen Stroms ohne Widerstand – besitzen. Solche neuen Stoffe sind ein wichtiger Schritt hin zu besonders energiesparender Elektronik. Einlagige Schichten wabenartig angeordneter Kohlenstoffatome (Graphen) sind dabei oft das Ausgangsmaterial.

Ganz andere Eigenschaften als Graphen soll nach theoretischen Berechnungen sogenanntes Kagome-Graphen besitzen. Kagome-Graphen besteht aus einem regelmäßigen Muster aus Sechsecken und gleichseitigen Dreiecken, die einander jeweils umgeben. Der Name Kagome stammt aus dem Japanischen und bezieht sich auf eine alte japanische Flechtkunst, bei der Körbe mit diesem Muster geflochten werden.

Forschende des Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben in Zusammenarbeit mit der Universität Bern erstmals Kagome-Graphen hergestellt und untersucht. Ihre Messungen lieferten vielversprechende Ergebnisse, die auf ungewöhnliche elektrische oder magnetische Eigenschaften hindeuten.

Für die Herstellung des Kagome-Graphen dampfen die Forschenden eine Vorläufersubstanz auf eine Silberoberfläche auf. Durch Aufheizen entsteht auf der Oberfläche zunächst eine organometallische Zwischenverbindung und nach weiterem Heizen das Kagome-Graphen, das ausschließlich aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen besteht und das gleichmäßige Muster aus Sechs- und Dreiecken bildet.

Starke Wechselwirkungen zwischen Elektronen

»Mithilfe von Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen haben wir die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des Kagome-Gitters untersucht«, berichtet Dr. Rémy Pawlak, Erstautor der Studie. Mit dieser Art von Mikroskopen lassen sich Struktur und elektrische Eigenschaften von Materialien mithilfe einer winzigen Spitze abtasten – in diesem Fall verwendeten die Forschenden einzelne Kohlenmonoxid-Moleküle an der Spitze.

Kagome Graphene, Swiss Nanoscience Institute

© Universität Basel

Eine neuartige Graphen-Verbindung aus Kohlenstoff- und wenigen Stickstoffatomen haben Physiker der Universität Basel hergestellt. Dieses regelmäßige Kagome-Gitter aus Sechs- und Dreiecken verhält sich wie ein Halbleiter und könnte weitere ungewöhnliche elektrische Eigenschaften besitzen.

Dabei stellten Die Forschenden fest, dass die Elektronen bei einer festgelegten Energie, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung selektiert wird, in dem Kristallgitter von Kagome-Graphen zwischen den Dreiecken des Gitters »gefangen« sind. Dies unterscheidet Kagome-Graphen deutlich von herkömmlichem Graphen, bei dem sich Elektronen in verschiedenen Energiezuständen im Gitter verteilen – also delokalisert sind.

»Diese bei Kagome-Graphen gefundene Lokalisation ist erwünscht und genau das, wonach wir gesucht haben«, erklärt Prof. Dr. Ernst Meyer, in dessen Gruppe die Arbeiten durchgeführt wurden. »Sie bewirkt, dass zwischen den Elektronen starke Wechselwirkungen auftreten, was wiederum die Basis für ungewöhnliche Phänomene wie die der widerstandlosen Stromleitung ist.«

Weitere Untersuchungen geplant

Die Untersuchungen zeigten auch, dass Kagome-Graphen halbleitende Eigenschaften besitzt – die leitenden Eigenschaften sich also ein- oder ausschalten lassen, wie das in einem Transistor geschieht. Damit unterscheidet sich Kagome-Graphen deutlich von Graphen, dessen Leitfähigkeit nicht so einfach geschaltet werden kann.

In weitergehenden Untersuchungen wird das Team das Kagome-Gitter von seiner metallischen Oberfläche lösen und die elektronischen Eigenschaften weiter studieren. »Die experimentell nachgewiesene flache Bandstruktur des Materials unterstützt die theoretischen Berechnungen, dass Kagome-Gitter spannende elektronische und magnetische Phänomene zeigen könnten. Kagome-Graphen könnte in Zukunft ein wichtiger Baustein für nachhaltige und effiziente elektronische Komponenten sein«, kommentiert Ernst Meyer. Womöglich findet es künftig Verwendung in elektronischen Sensoren oder Quantencomputern.

Originalpublikation

Pawlak, R., et al. On‐Surface Synthesis of Nitrogen‐Doped Kagome Graphene. Angew. Chem. Int. Ed., doi: 10.1002/anie.202016469

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