Graphen beim Wachsen beobachtet
Schnelle Rastertunnelmikroskopie zeigt, wie mobile Adatome das Wachstum von Graphen auf einer Nickeloberfläche beschleunigen.
Eine Reduktion der Dimensionalität führt oftmals zu einer erhöhten Reaktivität. So laufen chemische Reaktionen auf Metalloberflächen in vielen Fällen bevorzugt an Stufenkanten ab. Dasselbe gilt für Knicke in vorhandenen Kanten und auch für einzelne Adatome, die sich bei entsprechend hohen Temperaturen nahezu frei über die Oberfläche bewegen können. Der direkte, experimentelle Nachweis solcher Abläufe gestaltet sich in der Regel allerdings schwierig, da er simultan sowohl eine hohe räumliche als auch zeitliche Auflösung erfordert. Einem internationalen Forscherteam um Giovanni Comelli von der Universität Triest ist es nun gelungen, mithilfe besonders schneller Rastertunnelmikroskopie (STM) zu beobachten, wie einzelne Nickel-
Abb.: Grapheninsel auf einer Ni(111) Oberfläche mit einer z-Kante (links) und einer k-Kante (rechts). Die weißen Kreise markieren die Knicke in den Kanten, an denen die Eingliederung der neuen Kohlenstoffatome erfolgt. (Bild: L. Patera et al.)
Für die Hochgeschwindigkeitsmessungen verwendeten die Forscher ein selbst entwickeltes Add-On-
Nickel gilt als eines der am meisten benutzten Substrate für die industrielle Synthetisierung von Graphen. Um die bisher unbekannten Details des Wachstums zu untersuchen, ließen die Forscher nun epitaktische Inseln des Materials auf einer Nickel(111)-
Abb.: STM-Videosequenzen während des Wachstums einer Grapheninsel an der z- (B) beziehungsweise k-Kante (C). Die hellen Objekte im jeweils zweiten und vierten Bild jeder Serie wurden von den Forschern als mobile Nickel-
Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestätigen diese Beobachtung, wonach neue Kohlenstoffatome immer an der aktuellen Position des Knicks in die Graphenstruktur eingebaut werden. Bei näherer Betrachtung ließen sich auf den STM Bildern an den Knicken allerdings auch noch weitere, hellere Objekte erkennen. Sie waren nicht immer anwesend, sondern tauchten nur auf einigen Bildern der STM-
Da diese Objekte deutlich heller sind als die wachsende Grapheninsel, scheint es den Forschern zufolge unwahrscheinlich, dass es sich um mobile Kohlenstoffcluster handelt. Dagegen passt ihre anscheinende Höhe sehr gut zu Defekten in Graphenschichten auf Ni(111), die bereits in früheren Experimenten als einzelne Nickelatome identifiziert worden sind. Die Hypothese, dass es sich um Nickelatome handelt, wird auch dadurch gestützt, dass auf Metalloberflächen bei erhöhten Temperaturen immer mobile Adatome vorhanden sind. Auch Molekulardynamik-
Aus den gemessenen Serien von STM-
Auf Basis dieser Erkenntnisse ist es den Forschern schließlich gelungen, den gesamten Prozess mithilfe der Dichtefunktionaltheorie zu beschreiben. Dabei zeigte sich, dass die Energiebarriere für das Wachstum mit einem am Knick anwesenden Nickel-
Thomas Brandstetter
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