Robuster als Diamant, dichter als Glas, leitfähiger als Kupfer – Wenn Physiker und Materialforscher von Graphen (http://de.wikipedia.org/wiki/Graphen) sprechen, kommen sie leicht ins Schwärmen. Denn das bienenwabenförmige Material aus einer einzelnen Atomlage Kohlenstoff ist für eine Vielzahl potenzieller Anwendungen interessant. Das Element Kohlenstoff zählt zu den fundamentalsten, vielseitigsten und bedeutendsten Bausteinen des Lebens. Es steht aber auch im Mittelpunkt der modernen Nanotechnologie und gilt als vielversprechender Baustein der Elektronikindustrie der Zukunft. Denn allein durch eine unterschiedliche Anordnung der Kohlenstoffatome entstehen Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Graphen ist eines dieser Materialien. Es besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einer extrem dünnen hexagonalen Schicht angeordnet sind. Seit der ersten Herstellung durch die beiden Nobelpreisträger Andre Geim und Konstantin Novoselov im Jahr 2004 hat Graphen Interesse ungeahnten Ausmaßes geweckt. Seine einzigartigen elektronischen Eigenschaften sind so faszinierend, dass für Graphen sogar prophezeit wird, es könne Silizium ablösen, auf dem die heutige Mikroelektronik basiert.

 

Um Graphen in der Massenfertigung anwenden zu können, müssen noch signifikante Hürden in der effizienten Herstellung von qualitativ hochwertigen Graphenstrukturen überwunden werden. Wissenschaftler der TU Dresden, des Instituts für Festkörper und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und der Universität Delft zeigen, wie sich amorpher Kohlenstoff, also ungeordnete Kohlenstoff-Atome, zu einem höchst geordneten hexagonalen Bienenwaben-Gitter reorganisieren und auf diese Weise reines, defektfreies Graphen bilden.

 

Aufgrund seiner einzigartigen Struktur ist Graphen nicht nur als elektrischer Leiter hervorragend geeignet. Es kann auch als Beschichtung für Verpackungen und Schutzhüllen, als Lasermedium oder in Detektoren eingesetzt werden. Entscheidend für den praktischen Einsatz sei es, die elektronischen Eigenschaften des außergewöhnlichen Materials präzise bestimmen und auch gestalten zu können, so der Juniorprofessor für Diamant-/Kohlenstoffbasierte optische Systeme. Und das galt bislang als äußert knifflig.

 

Doch den Physikern der Uni Jena ist es jetzt mit einem internationalen Team gelungen, das Verhalten von Elektronen in dem Zukunftsmaterial umfassend zu charakterisieren. Anhand experimentelle Daten lassen sich die elektronischen Eigenschaften insbesondere in den Randstrukturen des Graphen-Kristalls exakt simulieren. Die Beschaffenheit der Randbereiche ist dabei entscheidend für die elektronischen Eigenschaften des gesamten Kristalls.

 

Für die Experimente nutzen die Forscher ein photonisches Modell des Graphen. Dafür haben sie per Laser einige Hundert winzige Lichtleiter in einen Glas-Chip graviert, die wie im Graphen in einem Bienenwabenmuster angeordnet sind und so die einlagige Kristallstruktur simulieren. „Wird Licht in das Modell eingestrahlt, so verteilen sich die Lichtteilchen, die Photonen, über den gesamten Kristall – so wie die extrem beweglichen Elektronen im echten Graphen für seine enorme elektrische Leitfähigkeit sorgen. Dieses Modell ist wie ein Fenster, durch das man ins Innere des faszinierenden Kristalls sehen könne.

 

Auf diese Weise haben die Forscher der Uni Jena, der San Francisco State University und des Technion – Israel Institute of Technology in Haifa das Verhalten von Photonen in den Randbereichen des Modell-Kristalls untersuchen können. Aufgrund der sechseckigen Grundstruktur des Graphen- Kristalls können die Ränder unterschiedliche Formen annehmen. Diese bilden – wie die Fransen um einen Teppich – entweder ein Zickzackmuster, eine „Bart-“ oder „Armlehnenform“. Unter bestimmten experimentellen Bedingungen können sich die Elektronen nur entlang dieser Randbereiche und nicht ins Innere des Kristalls bewegen, so die Jenaer Physiker. Ob jedoch solche sogenannten „Oberflächenzustände“ entstehen, hänge entscheidend von der jeweiligen Form der Randstruktur ab. Die Existenz solcher Zustände ist jedoch ein wichtiges Mittel, um die Leitfähigkeit von Graphen kontrollieren zu können.

 

Die Forscher sind sicher, dass sich mit den Erkenntnissen, die man aus diesen Experimenten gewinnt, neue Möglichkeiten für graphen-basierte Anwendungen erschließen lassen – und damit dem „Zukunftsmaterial“ Graphen weiter Schub verleiht.

 

Zum Computer:Club² Audioarchiv:

http://www.cczwei.de/index.php?id=issuearchive