09.04.2018

Gestrecktes Graphen

Auf Kupfer deponiertes Graphen zeigt ver­änderte elek­tro­nische Eigen­schaften.

Die herausragenden mechanischen und elektronischen Eigen­schaften mono­ato­marer Graphen­schichten lassen sie sich durch gezielte Beschich­tungs­methoden sogar noch vari­ieren. So gelang es einer inter­natio­nalen Forscher­gruppe um Maria Asensio von der Uni­ver­sité Paris-Saclay, die Gitter­konstante von Graphen um 7,5 Prozent zu ver­größern. Dabei ent­stand eine meta­stabile Graphen-Phase mit ver­änderten elek­tro­nischen Eigen­schaften.

Abb.: Dichtefunktionstheorie-Berechnungen von Graphen-Lagen auf einer Kupfer­unter­lage zeigen die jeweilige Elek­tronen­dichte bei unter­schied­lichen Abständen (3,1Å/3,3Å) an. (Bild: C. Chen et al. / NPG)

Zur Herstellung ihrer Graphen-Variante polierten die Wissen­schaftler eine Kupfer­ober­fläche und heizten sie für mehrere Stunden auf 1075 Grad Celsius auf. Aus einer Wasser­stoff-Methan-Atmo­sphäre lagerte sich Kohlen­stoff auf der Kupfer­fläche ab und es bildete sich eine ein­schich­tige Graphen­lage. Winkel­auf­ge­löste Photo­emis­sions­messungen und Ana­lysen der Elek­tronen­beugung – durch­ge­führt an der Synchro­tron­strah­lungs­quelle Soleil – ergaben, dass diese Graphen­schicht eine um etwa 7,5 Prozent größere Gitter­konstante auf­wies. Beträgt diese für reines Graphen 2,43 Ång­ström, maßen die Forscher sie nun eine Gitter­konstante von 2,61 Ång­ström.

Parallel durchgeführte Dichtefunktionstheorie-Berech­nungen bestä­tigten, dass dieses gestreckte Graphen einer meta­stabilen Phase des viel­seitigen Kohlen­stoff­materials dar­stellt. Erste Ana­lysen der elek­tro­nischen Eigen­schaften ergaben, dass die Valenz­elek­tronen stärker lokali­siert sind und damit eine Tendenz zu stärkeren chemischen Bindungen zeigen. In einem weiteren Versuch unter­suchten die Forscher das Absorp­tions­ver­halten von Rubidium­atomen. Die gestreckte Graphen-Variante konnte im Ver­gleich zu normalem Graphen deut­lich weniger Rubidium­atome absor­bieren.

Dieses Grundlagenexperiment zeigt, dass sich die elek­tro­nischen Eigen­schaften von Graphen über gezielte Ver­ände­rungen der Gitter­konstante beein­flussen lassen. Asensio und ihre Kollegen halten es für möglich, dass sich solche meta­stabilen Varia­tionen auch bei anderen zwei­dimen­sio­nalen Werk­stoffen wie etwa Bornitrid-Schichten finden lassen. Mit weiteren Experi­menten, begleitet von Ana­lysen mit Raster­tunnel­mikro­skopen, ließe sich nun das Poten­zial solcher Ände­rungen der Gitter­konstante mit ihren Ein­flüssen auf die elek­tro­nischen Eigen­schaften weiter aus­loten.

Jan Oliver Löfken

RK

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