Graphen gilt als das elektronische Wundermaterial des 21. Jahrhunderts. Bisher jedoch ließen sich nur sehr kleine oder qualitativ minderwertige Folien produzieren – untauglich für Hightech-Anwendungen. Jetzt aber haben Forscher ein Verfahren entwickelt, das ein hochwertiges Graphen in einem Schritt entstehen lässt und direkt auch auf Defekte überprüfbar macht. Die Methode wurde jetzt Fachmagazin „Applied Physics Letters“ vorgestellt.
Seine Dicke verhält sich zu einem Blatt Papier wie eben dieses Blatt zur Höhe der Bosporus-Brücke in Istanbul: Graphen ist im Prinzip eine Schicht aus bienenwabenförmig angeordnetem Kohlenstoff, die nur aus einer einzigen Atomlage besteht. Dünner kann ein Material nicht sein. Das Graphen leitet den elektrischen Strom wie kein zweites Material auf der Welt und ist zudem extrem reißfest. Doch noch hakt die Anwendung daran, dass sich größere Flächen nicht in der benötigten Qualität herstellen ließen. Eine Arbeitsgruppe um Michael Horn-von Hoegen, Professor für Experimentalphysik am Center for Nanointegration (CeNIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE), hat hier nun einen wichtigen Durchbruch erzielt.
Graphenschicht auf Iridium
Zusammen mit Kollegen aus Köln und Twente gelang es den Forschern, ein Verfahren zu entwickeln, das ein hochwertiges Graphen in einem Schritt entstehen lässt. „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“, so Horn-von Hoegen. Dieses Kochrezept ist nun gefunden. Bei dem Verfahren wird zunächst das Gas Ethylen katalytisch an der Oberfläche eines Iridiumkristalls zersetzt. Dabei lagert sich eine genau einatomige Kohlenstoffschicht auf dem Iridium ab – fertig.
Qualitätstest mit inbegriffen
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.“
Schritt zu neuen Anwendungen
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 der Forscher hier besondere Bedeutung.
(Universität Duisburg-Essen, 26.04.2011 – NPO)
