Flickenteppich im Graphen

Polykristalline Graphenschichten zeigen eine komplexe Domänenstruktur, die ihre elektrischen Eigenschaften kaum beeinflusst.

Die zweidimensionale Form des Kohlenstoffs, das Graphen, hat durch den Physik-Nobelpreis für die Graphen-Pioniere Andrei Geim und Konstantin Novoselov eine enorme Popularität bekommen. Sie hatten mikrometergroße Graphenflocken von Graphitkristallen abgehoben und erforscht. Doch inzwischen stellt man durch Gasphasenabscheidung halbmeterbreite Graphenfilme her, die sich für elektronische Anwendungen eignen. Im Gegensatz zu den Flocken haben die Filme eine komplexe polykristalline Struktur, wie Forscher an der Cornell University jetzt herausgefunden haben.

Zur Herstellung der polykristallinen Graphenschichten haben Wissenschaftler um Paul McEuen und David Muller eine extrem glatte Kupferfolie bei 1000 °C mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Methan bedampft. Die nur eine Atomlage dicken Schichten haben sie vorsichtig von der Kupferfolie abgehoben und einzeln auf ein Gitter gelegt, mit dem sie in den Elektronenstrahl eines Rasterelektronenmikroskops geschoben wurden. Die Energie der Elektronen war mit 60 keV so gewählt worden, dass die Elektronen die einzelnen Atompositionen in der Graphenschicht sichtbar machen konnten, ohne die Schicht zu beschädigen.

Wie sich zeigte, enthielt solch eine Schicht Domänen, in denen die Kohlenstoffatome hexagonal angeordnet waren. Die Domänen waren unterschiedlich ausgerichtet und an ihren unregelmäßig geformten Rändern zusammengewachsen. In diesen Randzonen bildeten die Atome nicht nur sechseckige sondern auch fünf- und siebeneckige Ringe. Eine Analyse der Intensität, mit der die Atome den Elektronenstrahl streuten, ergab, dass auch die Randzonen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestanden. Sie waren jedoch oft mit Fremdatomen dekoriert. Hier war die polykristalline Graphenschicht also chemisch besonders reaktionsfreudig.

Um einen Überblick über die Domänenstruktur eines mikrometergroßen Bereiches der Graphenschicht zu erhalten, wäre ein atomgenaues Abrastern viel zu langsam gewesen. Die Forscher setzten deshalb ein anderes elektronenmikroskopisches Verfahren ein: die Dunkelfeld-Transmissionselektronenmikroskopie. Dabei wurde von einem ungefähr 3 µm großen Bereich der Graphenschicht ein Beugungsbild hergestellt, aus dem mit einer Blende diejenigen Beugungsmaxima herausgefiltert wurden, die von Domänen einer bestimmten Ausrichtung stammten. Die dazugehörigen Elektronenstrahlen passierten die Blende und wurden anschließend wieder zusammengeführt, sodass ein Bild der Domänen mit der gewünschten Ausrichtung entstand.

Auf diese Weise konnten die Forscher ein umfassendes Bild der Domänenstruktur des ausgewählten Bereiches in der Graphenschicht gewinnen. Wurden die Domänen unterschiedlicher Ausrichtung mit unterschiedlichen Farben gekennzeichnet, so ließ sich leicht erkennen, dass oftmals mehrere Domänen an einem Punkt zusammenstießen. Die Forscher vermuten, dass diese Störstellen in der atomaren Anordnung die Kondensationskeime sind, von denen das Wachstum der Graphenschicht auf der Kupferfolie ausgegangen war. Die Auswertung der Bilder ergab, dass die Domänengröße breit verteilt war um einen Mittelwert von 250 nm.

Die Orientierung der Domänen zeigte eine Vorzugsrichtung, die vermutlich auf die Anordnung der Kupferatome in der Folie zurückzuführen ist. Je perfekter die Atome in der Kupferfolie geordnet waren, umso weniger polykristallin war die Graphenschicht und umso weniger Domänengrenzen wies sie auf. Das hatte einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Schicht, nicht jedoch auf ihre elektrischen. Mit einem Rasterkraftmikroskop maßen die Forscher die mechanische Stabilität der Graphenschicht, indem sie die eindrückten. Da die Schicht bevorzugt an den Domänengrenzen einriss, war sie umso stabiler, je weniger Domänen sie pro Flächeneinheit enthielt.

Auf die elektrische Leitfähigkeit der Schicht hatte die „Domänendichte“ hingegen keinen großen Einfluss, da das Atomgefüge in den Domänengrenzen den Strom ebenso gut leitete wie das Innere der Domänen. Die Forscher betonen, dass dies normalweise in polykristallinen Materialien ganz anders ist, da schon eine einzelne Domänengrenze einen millionenfach höheren Widerstand verursachen kann verglichen mit einer monokristallinen Probe.

Das neue Abbildungsverfahren verschafft einen umfassenden Überblick über die polykristalline Struktur von großflächigen Graphenschichten und könnte dabei helfen, die Herstellung von Schichten mit verbesserten Eigenschaften zu optimieren.

RAINER SCHARF

MH