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Werkstoffe Neue Herstellungsmethode erweitert Nutzungsmöglichkeiten von Graphen

Redakteur: Kristin Rinortner

Graphen gilt als Material, dem in den Bereichen Elektronik, Sensorik und Displaytechnologie sowie der Metrologie Wunderdinge zugetraut werden. Jetzt hat eine Forschergruppe der Universitäten Bielefeld und Ulm sowie der PTB ein Herstellungsverfahren entwickelt, mit dem sich Graphenstrukturen mit prinzipiell beliebiger Form erzeugen lassen.

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(Abb.: Advanced Materials 25 (2013). Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.)

Graphen ist ein Kristall, das aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen besteht, die im regelmäßigen Sechseck angeordnet sind. Graphene versprechen für Elektronikanwendungen enormes Potenzial. Bereits vier Jahre nach der erstmaligen erfolgreichen Präparation von Graphen wurden seine Entdecker Geim und Novoselov mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Da die ursprüngliche Präparationsmethode durch Abschälen einzelner Atomlagen aus Graphit aber keine gute Perspektive für die breite technologische Nutzung bietet, konzentrieren sich viele Forschungsgruppen sehr stark auf die Entwicklung alternativer Herstellungsverfahren.

Eine völlig neue und sehr flexible Variante wurde nun von der Gruppe von Andrey Turchanin von der Universität Bielefeld in Zusammenarbeit mit der Universität Ulm und drei Fachbereichen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelt und in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Im Unterschied zu üblichen Methoden, bei denen das Graphen z.B. durch Abscheiden von Kohlenstoffatomen aus der Gasphase oder durch thermische Graphitierung von Siliciumcarbid hergestellt wird, wählten die Wissenschaftler in dieser Arbeit aromatische Moleküle als Ausgangspunkt.

Als Substrate kamen dabei sowohl Kupfer-Einkristalle als auch preiswerte polykristalline Kupferfolien zum Einsatz. Durch Bestrahlung mit niederenergetischen Elektronen und nachfolgendes thermisches Ausheilen gelang es, eine auf der Kupferoberfläche abgeschiedene selbst-organisierte Einzellage des Moleküls Biphenylthiol in Graphen umzuwandeln.

Für die Untersuchung der chemischen und physikalischen Eigenschaften des so erzeugten Graphens kamen verschiedene Charakterisierungsmethoden der Universitäten Ulm und Bielefeld sowie der PTB zum Einsatz: die Raster-Tunnelmikroskopie, die Transmissionselektronenmikroskopie, die Ramanspektroskopie sowie elektrische Transportmessungen bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. Alle diese Messungen bestätigten, dass aus dem aromatischen Molekül wirklich Graphen von hervorragender kristalliner und elektronischer Qualität entstanden war.

Mit Elektronenbestrahlung zu Strukturen beliebiger Form

Durch die Flexibilität der Elektronenbestrahlung, die sowohl großflächig als auch mit hervorragender Ortsauflösung an kleinen wohldefinierten Stellen möglich ist, lassen sich nun Graphenstrukturen mit prinzipiell beliebiger Form erzeugen, z.B. Quantenpunkte, Nanostreifen oder andere Nano-Geometrien mit spezifischer Funktionalität. Durch die Wahl der Temperatur beim thermischen Umwandlungsschritt können auch der Grad der Kristallinität und die davon abhängenden Eigenschaften des Graphens eingestellt werden.

Weitere Vorteile entstehen durch die Vielseitigkeit der Methode der selbst-organisierten Beschichtung. Man kann sie mit unterschiedlichen aromatischen Molekülen durchführen, die z.B. auch Dotieratome zur elektronischen Dotierung des Endprodukts enthalten könnten. In Mehrfachlagen aufgebracht, könnte man Bilagen- oder Multilagen-Graphene erzeugen, deren geänderte elektronische Bandstruktur die Anwendungsmöglichkeiten von Einzellagen-Graphen erweitert.

Ebenso könnten andere Substrate als das hier verwendete Kupfer (etwa andere Metalle, Halbleiter, Isolatoren) genutzt werden. Darüber hinaus sollte auch die Erzeugung von Graphen auf beliebigen 3-D-Oberflächen möglich sein, da molekulare Selbstorganisation auch auf gekrümmten Flächen stattfindet.

Originalveröffentlichung

D. G. Matei, N.-E. Weber, S. Kurasch, S. Wundrack, M. Woszczyna, M. Grothe, T. Weimann, F.-J. Ahlers, R. Stosch, U. Kaiser, A. Turchanin: Functional single-layer graphene sheets from aromatic monolayers. Advanced Materials, 25 (2013), 30, 4146-4151 //

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