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Graphen-Forschung

Synthese von Graphen verstanden

16. März 2018, 14:30 Uhr   |  Paulina Würth

Synthese von Graphen verstanden
© Stock-Asso – Shutterstock

Physikalische Experimente an Graphen haben im Jahr 2010 zum Nobelpreis für Physik geführt.

Dünn, stabil und elektrisch leitend – das macht Graphen für die Elektronikindustrie besonders interessant. Doch die Herstellung ist äußerst schwierig.

Forscher der Freien Universität Berlin, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Universität Ulm gelang es, mithilfe chemischer Funktionalisierung einzelne Kohlenstofflagen von Graphit zu stabilisieren sowie die Struktur des nasschemisch hergestellten Graphens mit atomarer Auflösung mittels Elektronenstrahlmikroskopie sichtbar zu machen.

Das ist ein großer Schritt für die Graphen-Forschung denn das Verständnis zur chemischen Funktionalisierung von Graphen und dessen Synthese ist entscheidend, um Graphen in Zukunft in hoher Qualität verfügbar zu machen. Derzeit werden große Anstrengungen unternommen, um basierend auf Graphen eine neuartige Elektronik jenseits von Silizium zu entwickeln.

Bei Graphit handelt es sich um eine Schichtfolge einzelner Graphenlagen, die aus Kohlenstoff bestehen. Die Kohlenstoffatome sind in Graphen in einem Honigwabenmuster angeordnet; sie stellen ein zweidimensionales Material dar, das außergewöhnliche elektronische Eigenschaften zeigt.

Der Entwicklung von Elektronik auf der Grundlage von Graphen steht das Problem entgegen, die hierfür notwendigen großen Mengen an Graphen zu gewinnen, da es beinahe unmöglich ist, Graphen aus Graphit unbeschadet zu isolieren. Ohne Stabilisation würden sich einzelne Graphenlagen wieder zu Graphit oder undefinierten Kohlenstoffpartikeln zusammenschließen. Dadurch gingen die herausragenden Eigenschaften von Graphen verloren.

Verminderte Bewegung durch hohe Reibung

Es gelang den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nachzuweisen, dass hochkristalliner Graphit mit wohldefinierter Schichtabfolge besonders geeignet ist, um in eine Verbindung überführt zu werden, bei der Moleküle und Ionen zwischen den Kohlenstoffschichten eingelagert werden.

Dies gelingt besonders leicht, wenn die Graphenlagen zusätzlich partiell positiv aufgeladen werden. Moleküldynamik-Simulationen zeigen, dass die Schichtfolge der Graphenlagen im Graphit zusammen mit deren elektronischer Oxidation die Reibung der Moleküle zwischen den Lagen drastisch vermindert.

Umgekehrt bedeutet dies, dass eine hohe Reibung von Molekülen im Schichtmaterial deren Beweglichkeit einschränkt und deshalb Graphit nicht aktiviert werden kann. Die Aktivierung ermöglicht es, Wassermolekülen im folgenden Schritt mit dem aktivierten Graphit zu reagieren. Dadurch werden Alkoholgruppen auf die Oberfläche von Graphen angebunden, wodurch es möglich wird, einzelne Lagen von Graphen abzulösen und in Wasser zu stabilisieren. Dieses abgelöste polare Graphen konnte schließlich auf Oberflächen übertragen und zu ungeladenem Graphen reduziert werden.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

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