Im Jahr 2010 erhielten Geim und Novoselov den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit an Graphen. Diese Auszeichnung hat viele Menschen tief beeindruckt. Schließlich ist nicht jedes mit dem Nobelpreis ausgezeichnete experimentelle Werkzeug so alltäglich wie Klebeband, und nicht jedes Forschungsobjekt ist so faszinierend und leicht verständlich wie der „zweidimensionale Kristall“ Graphen. Dass eine Arbeit aus dem Jahr 2004 im Jahr 2010 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet werden konnte, ist in der Geschichte der Nobelpreise der letzten Jahre eine Seltenheit.
Graphen ist ein Stoff, der aus einer einzelnen Schicht dicht angeordneter Kohlenstoffatome in einem zweidimensionalen, hexagonalen Wabengitter besteht. Wie Diamant, Graphit, Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren und amorpher Kohlenstoff ist es ein einfacher Kohlenstoffstoff. Wie in der Abbildung unten dargestellt, lassen sich Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren als aufgerollte Strukturen aus einer einzelnen Graphenschicht betrachten, die wiederum aus vielen übereinanderliegenden Graphenschichten besteht. Die theoretische Forschung zur Verwendung von Graphen zur Beschreibung der Eigenschaften verschiedener einfacher Kohlenstoffstoffe (Graphit, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen) dauert bereits fast 60 Jahre an. Man ging jedoch allgemein davon aus, dass solche zweidimensionalen Materialien nur schwer stabil existieren können und lediglich an die Oberfläche eines dreidimensionalen Substrats oder in Substanzen wie Graphit eingebettet sind. Erst 2004 gelang es Andre Geim und seinem Studenten Konstantin Novoselov experimentell, eine einzelne Graphenschicht von Graphit abzulösen, was der Graphenforschung einen neuen Durchbruch bescherte.
Sowohl Fullerene (links) als auch Kohlenstoffnanoröhren (Mitte) können in gewisser Weise als von einer einzelnen Graphenschicht aufgerollt betrachtet werden, während Graphit (rechts) durch die Verbindung von Van-der-Waals-Kräften aus mehreren Graphenschichten gestapelt ist.
Heutzutage lässt sich Graphen auf vielfältige Weise gewinnen, wobei jede Methode ihre Vor- und Nachteile aufweist. Geim und Novoselov stellten Graphen auf einfache Weise her. Mithilfe von in Supermärkten erhältlichem transparentem Klebeband isolierten sie Graphen – eine Graphitschicht mit nur einer Lage Kohlenstoffatomen – von einem Stück hochgeordnetem pyrolytischem Graphit. Dieses Verfahren ist zwar praktisch, aber die Kontrollierbarkeit ist begrenzt, und es lässt sich lediglich Graphen mit einer Größe von unter 100 Mikrometern (einem Zehntel Millimeter) gewinnen. Dieses eignet sich zwar für Experimente, ist aber für praktische Anwendungen schwer einsetzbar. Mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) können Graphenproben mit einer Größe von mehreren zehn Zentimetern auf Metalloberflächen abgeschieden werden. Obwohl die Fläche mit einheitlicher Orientierung nur 100 Mikrometer beträgt [3,4], ist dieses Verfahren für die Produktionsanforderungen einiger Anwendungen ausreichend. Eine weitere gängige Methode ist das Erhitzen des Siliciumcarbid-Kristalls (SiC) auf mehr als 1100 °C im Vakuum, wodurch die Siliciumatome in Oberflächennähe verdampfen und die verbleibenden Kohlenstoffatome neu angeordnet werden. Dadurch lassen sich auch Graphenproben mit guten Eigenschaften gewinnen.
Graphen ist ein neuartiges Material mit einzigartigen Eigenschaften: Seine elektrische Leitfähigkeit ist so hervorragend wie die von Kupfer, und seine Wärmeleitfähigkeit übertrifft die aller bekannten Materialien. Es ist extrem transparent. Nur ein geringer Anteil (2,3 %) des senkrecht einfallenden sichtbaren Lichts wird von Graphen absorbiert, der größte Teil des Lichts durchdringt es. Es ist so dicht, dass selbst Heliumatome (die kleinsten Gasteilchen) es nicht passieren können. Diese außergewöhnlichen Eigenschaften sind nicht direkt von Graphit abgeleitet, sondern beruhen auf Gesetzen der Quantenmechanik. Aufgrund seiner einzigartigen elektrischen und optischen Eigenschaften bietet es vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Obwohl Graphen erst seit weniger als zehn Jahren existiert, hat es bereits zahlreiche technische Anwendungen gefunden, was in der Physik und Materialwissenschaft sehr selten ist. Normalerweise dauert es mehr als zehn Jahre, mitunter sogar Jahrzehnte, bis sich Materialien vom Labor in die Praxis begeben. Wozu dient Graphen? Betrachten wir zwei Beispiele.
Weiche, transparente Elektrode
In vielen Elektrogeräten werden transparente, leitfähige Materialien als Elektroden benötigt. Elektronische Uhren, Taschenrechner, Fernseher, Flüssigkristallanzeigen, Touchscreens, Solarzellen und viele andere Geräte sind auf transparente Elektroden angewiesen. Traditionell wird für transparente Elektroden Indiumzinnoxid (ITO) verwendet. Aufgrund des hohen Preises und der begrenzten Verfügbarkeit von Indium ist das Material spröde und wenig flexibel. Zudem muss die Elektrode im Vakuum in einer Zwischenschicht abgeschieden werden, was relativ hohe Kosten verursacht. Wissenschaftler suchen daher seit Langem nach einer Alternative. Neben Transparenz, guter Leitfähigkeit und einfacher Herstellung ist eine gute Flexibilität des Materials von großer Bedeutung, insbesondere für die Herstellung von „elektronischem Papier“ oder anderen faltbaren Anzeigegeräten. Graphen ist ein solches Material und eignet sich hervorragend für transparente Elektroden.
Forscher von Samsung und der Chengjunguan-Universität in Südkorea stellten mittels chemischer Gasphasenabscheidung Graphen mit einer Diagonalenlänge von 30 Zoll her und übertrugen es auf eine 188 Mikrometer dicke Polyethylenterephthalat-Folie (PET), um einen Graphen-basierten Touchscreen zu fertigen [4]. Wie in der Abbildung unten dargestellt, wird das auf der Kupferfolie gewachsene Graphen zunächst mit dem thermischen Ablöseband (blauer, transparenter Bereich) verbunden. Anschließend wird die Kupferfolie chemisch aufgelöst und schließlich das Graphen durch Erhitzen auf die PET-Folie übertragen.
Neue fotoelektrische Induktionsgeräte
Graphen besitzt einzigartige optische Eigenschaften. Obwohl es nur aus einer einzigen Atomlage besteht, absorbiert es 2,3 % des emittierten Lichts im gesamten Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis zum Infrarot. Dieser Wert ist unabhängig von anderen Materialparametern des Graphens und wird durch die Quantenelektrodynamik bestimmt [6]. Das absorbierte Licht führt zur Erzeugung von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern). Die Erzeugung und der Transport von Ladungsträgern in Graphen unterscheiden sich deutlich von denen in herkömmlichen Halbleitern. Dadurch eignet sich Graphen hervorragend für ultraschnelle photoelektrische Induktionsgeräte. Es wird geschätzt, dass solche Geräte mit einer Frequenz von 500 GHz arbeiten können. Bei der Signalübertragung könnten damit 500 Milliarden Nullen oder Einsen pro Sekunde übertragen werden, wodurch die Inhalte zweier Blu-ray-Discs in einer Sekunde vollständig übertragen werden könnten.
Experten des IBM Thomas J. Watson Forschungszentrums in den USA haben mithilfe von Graphen fotoelektrische Induktionsbauelemente hergestellt, die bei einer Frequenz von 10 GHz arbeiten können [8]. Zunächst wurden Graphenflocken mittels des „Tape-Tearing-Verfahrens“ auf einem mit 300 nm dickem Siliziumdioxid beschichteten Siliziumsubstrat präpariert. Anschließend wurden Palladium-Gold- oder Titan-Gold-Elektroden mit einem Abstand von 1 µm und einer Breite von 250 nm darauf aufgebracht. Auf diese Weise wurde ein fotoelektrisches Induktionsbauelement auf Graphenbasis hergestellt.
Schematische Darstellung der photoelektrischen Induktionsanlage mit Graphen und Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (REM) von realen Proben. Die kurze schwarze Linie in der Abbildung entspricht 5 Mikrometern, der Abstand zwischen den Metalllinien beträgt ein Mikrometer.
Die Forscher fanden in Experimenten heraus, dass dieses photoelektrische Induktionsgerät mit Metall-Graphen-Struktur eine maximale Arbeitsfrequenz von 16 GHz erreicht und im Wellenlängenbereich von 300 nm (nahes Ultraviolett) bis 6 Mikrometer (Infrarot) mit hoher Geschwindigkeit arbeitet. Herkömmliche photoelektrische Induktionsröhren reagieren hingegen nicht auf Infrarotlicht mit längeren Wellenlängen. Die Arbeitsfrequenz des Graphen-Photoelektroinduktionsgeräts bietet noch erhebliches Verbesserungspotenzial. Seine überlegene Leistung eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem in den Bereichen Kommunikation, Fernsteuerung und Umweltüberwachung.
Als neuartiges Material mit einzigartigen Eigenschaften erlebt Graphen einen rasanten Aufschwung in der Forschung zu seinen Anwendungsmöglichkeiten. Es ist uns nicht möglich, sie hier alle aufzuzählen. Zukünftig könnten Feldeffekttransistoren, molekulare Schalter und molekulare Detektoren aus Graphen Teil unseres Alltags werden… Graphen, das nach und nach den Weg aus dem Labor in die Praxis findet, wird bald im täglichen Leben eine wichtige Rolle spielen.
Wir können davon ausgehen, dass in naher Zukunft zahlreiche elektronische Produkte mit Graphen auf den Markt kommen werden. Stellen Sie sich vor, wie interessant es wäre, wenn wir unsere Smartphones und Netbooks zusammenrollen, ans Ohr klemmen, in die Tasche stecken oder ums Handgelenk wickeln könnten, wenn wir sie nicht benutzen!
Veröffentlichungsdatum: 09. März 2022