01.02.2022

2D-Material jetzt in drei Dimensionen

Räumliche Graphen-Strukturen für Sensoren und Wasserstoffspeicher.

Das Kohlenstoff­material Graphen besteht bloß aus einer einzigen Schicht von Atomen und bildet ein zweidimen­sionalen Material. Daraus eine dreidimen­sionale Struktur herstellen zu wollen, mag zunächst vielleicht widersinnig klingen, ist aber ein wichtiges Ziel: Wenn die Eigenschaften der flachen Graphen-Schicht optimal genützt werden sollen, dann braucht man möglichst viel aktive Oberfläche in einem begrenzten Volumen. Am besten gelingt das, indem man Graphen auf komplizierten, verästelten Nano­strukturen herstellt. Genau das ist nun durch eine Kooperation von CNR Nano in Pisa, der TU Wien und der Universität Antwerpen gelungen. Das könnte beispiels­weise helfen, mit Hilfe von Graphen Wasserstoff zu speichern oder chemische Sensoren zu bauen.

Abb.: Zweidimen­sionales Graphen angeordnet in einer 3D-Nanostruktur. (Bild:...
Abb.: Zweidimen­sionales Graphen angeordnet in einer 3D-Nanostruktur. (Bild: TU Wien)

In der Forschungsgruppe von Ulrich Schmid am Institut für Sensor- und Aktuator­systeme forscht man seit Jahren daran, solide Materialien wie etwa einkristal­lines Silizium­karbid auf genau kontrollierte Weise in extrem feine, poröse Strukturen umzuwandeln. „Wenn man die Porosität gezielt steuern kann, dann lassen sich dadurch viele verschiedene Material­eigenschaften beeinflussen“, erklärt Georg Pfusterschmied. Die notwendigen Verfahren dafür sind kompliziert: „Es ist ein elektro­chemischer Prozess, der sich aus mehreren Schritten zusammensetzt“, sagt Markus Leitgeb, der als Chemiker ebenfalls in der Forschungsgruppe von Ulrich Schmid an der Fakultät für Elektrotechnik und Informations­technik der TU Wien arbeitet. „Man arbeitet mit ganz bestimmten Lösungs­mitteln, mit elektrischem Strom und mit UV-Bestrahlung.“ Dadurch lassen sich winzig kleine Löcher und Kanälchen in bestimmte Materialien ätzen.

Aufgrund dieser Expertise bei der Herstellung von porösen Strukturen wandte sich das Team von Stefan Heun vom Istituto Nanoscienze des CNR in Pisa an die TU Wien. In Pisa war man nämlich auf der Suche nach einer Methode, Graphen-Oberflächen in verzweigten Nano­strukturen herzustellen, um eine möglichst große Graphen-Fläche nutzen zu können. Und dafür ist die Technologie der TU Wien wie geschaffen. „Das Ausgangs­material ist Silizium­karbid – ein Kristall aus Silizium und Kohlenstoff“, sagt Stefano Veronesi, der die Experimente zum Graphen-Wachstum in CNR Nano Pisa durchgeführt hat. „Wenn man dieses Material erhitzt, dann verdampft das Silizium zuerst, der Kohlenstoff bleibt übrig und kann dann, wenn man es richtig macht, an der Oberfläche zu einer Graphen-Schicht werden.“

An der TU Wien wurde daher ein elektro­chemischer Ätzprozess entwickelt, der aus solidem Silizium­karbid die gewünschte poröse Nano­struktur macht. Ungefähr 42 Prozent des Volumens werden bei diesem Prozess entfernt. Die verbleibende Nano­struktur wurde dann in Pisa in Hochvakuum erhitzt, sodass sich an der Oberfläche Graphen bildete. Das Resultat wurde dann in Antwerpen genau untersucht. Dabei zeigte sich der Erfolg des neuen Verfahrens: Tatsächlich bildet sich auf der kompliziert geformten Oberfläche der 3D-Nano­struktur eine Vielzahl von Graphen-Abschnitten aus.

„Damit kann man die Vorteile von Graphen viel effektiver nutzen“, sagt Ulrich Schmid. „Die ursprüng­liche Motivation für das Forschungs­projekt war das Speichern von Wasserstoff: Auf Graphen-Oberflächen kann man Wasserstoff­atome zwischenlagern und sie dann für verschiedene Prozesse weiter­verwenden. Je größer die Oberfläche, umso größer auch die Wasserstoffmenge, die man speichern kann.“ Aber es gibt auch viele andere Ideen, solche Graphen-Strukturen einzu­setzen. Auch in chemischen Sensoren, mit denen man etwa seltene Inhalts­stoffe von Gasen nachweisen möchte, ist eine große Oberfläche von ent­scheidendem Vorteil.

TU Wien / JOL

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