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Aromatisches Graphen

Besonders interessant für:
  • Elektronik
  • Sensorik
  • Display-Technologie

Graphen, ein Kristall aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen, die im regelmäßigen Sechseck angeordnet sind, gilt als ein Material, dem vor allem in den Bereichen Elektronik, Sensorik und Display-Technologie Wunderdinge zugetraut werden. Ein bereits bei Raumtemperatur erkennbarer Quanten-Hall- Effekt macht das Material auch für die Metrologie interessant. Bereits vier Jahre nach der erstmaligen erfolgreichen Präparation von Graphen wurden seine Entdecker Geim und Novoselov mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Die ursprüngliche Präparationsmethode durch Abschälen einzelner Atomlagen aus Graphit bietet aber keine gute Perspektive für die breite technologische Nutzung. In einem Kooperationsprojekt hat die PTB bei der Entwicklung einer völlig neuen und sehr flexiblen Variante mitgewirkt.

Für die Anwendung wird Graphen bisher z. B. durch Abscheiden von Kohlenstoffatomen aus der Gasphase oder durch thermische Graphitierung von Siliziumcarbid hergestellt. Im Gegensatz dazu wurden in dem Kooperationsprojekt der PTB mit den Universitäten Ulm und Bielefeld aromatische Moleküle als Ausgangspunkt gewählt. Als Substrate dienten Kupfer-Einkristalle und auch preiswerte polykristalline Kupferfolien. 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, nämlich die Raster-Tunnelmikroskopie, die Transmissions- Elektronenmikroskopie, die Ramanspektroskopie sowie elektrische Transportmessungen bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. All diese Messungen bestätigten, dass aus dem aromatischen Molekül wirklich Graphen von hervorragender kristalliner und elektronischer Qualität entstanden war.

Durch die Flexibilität der Elektronenbestrahlung, die mit sehr guter Ortsauflösung möglich ist, lassen sich 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, ließen sich sogenannte 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 3D-Oberflächen möglich sein, da molekulare Selbstorganisation auch auf gekrümmten Flächen stattfindet. Die neue Herstellungsmethode erweitert die Perspektiven zur Nutzung des „Wundermaterials“ deutlich.

Ansprechpartner

Franz Josef Ahlers
Fachbereich 2.6 Elektrische Quantenmetrologie
Telefon: (0531) 592-2600,
Opens window for sending emailfranz.ahlers(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

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, 4146–4151 (2013)