09.05.2017

Graphen maßgeschneidert

Raman-Spektren zeigen spektrale Signatur von Kohlenstoff­schichten.

Graphen gilt als eines der vielver­sprechendsten neuen Materialien. Das systema­tische Einbringen von chemisch gebundenen Atomen und Molekülen zur Kontrolle seiner Eigen­schaften ist jedoch nach wie vor eine große Heraus­forderung. Wissen­schaftlern der Friedrich-Alexander-Uni­versität Erlangen-Nürnberg FAU, der Uni­versität Wien, der Freien Uni­versität Berlin sowie der Uni­versität Yachay Tech in Ecuador ist es nun erstmals gelungen, den spektralen Finger­abdruck solcher Verbindungen expe­rimentell und theo­retisch präzise zu veri­fizieren.

Abb.: Raman-Spektren offenbaren die spektrale Schwingungssignatur der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Nachbarschaft zum gebundenen Wasserstoffatom. (Bild: F. Hauke / FAU)

Zwei­dimensionales Graphen besteht aus einer einzelnen Schicht von Kohlen­stoffatomen. Es leitet besonders gut Elek­trizität sowie Wärme, ist durch­sichtig und dabei gleich­zeitig biegsam und fest. Außer­dem lässt sich zum Beispiel durch das Einbringen von chemisch gebundenen Atomen und Molekülen in die Graphen­struktur die elek­trische Leit­fähigkeit zwischen einem Metall und einem Halb­leiter konti­nuierlich verändern. Durch diese besonderen Eigen­schaften bietet Graphen eine Vielzahl an künftigen Anwendungs­möglichkeiten, wie beispiels­weise in der Opto­elektronik oder für ultra­schnelle Bau­elemente in der Halbleiter­industrie. Der Einsatz von Graphen in der Halbleiter­industrie kann nur gelingen, wenn Eigen­schaften wie Leit­fähigkeit, Größe und Störung der Struktur durch die Funktions­zentren bereits während der Synthese von Graphen festgelegt werden können.

In einer inter­nationalen Kooperation um ist es den Forschern mit einem neu ent­wickelten Versuchs­aufbau ein ent­scheidender Durch­bruch gelungen: Über Licht­streuung haben sie erstmals Schwingungs­spektren als spezi­fischen Finger­abdruck von stufen­weise chemisch modi­fiziertem Graphen identi­fiziert. Diese so gewonnene und theo­retisch bestätigte spektrale Signatur ermög­licht es zukünf­tig, sowohl die Art als auch die Anzahl der Funktions­zentren schnell und präzise zu bestimmen. Unter den verwen­deten Reak­tionen wurde zum Beispiel Wasser­stoff an Graphen chemisch gebunden. Dies erfolgte über eine kontrol­lierte chemische Reaktion von Verbin­dungen, in denen Ionen in den Kohlen­stoff Graphit eingelagert sind, mit Wasser.

„Diese Methode der in situ Raman­spektroskopie ist eine sehr effektive Möglich­keit, mit der schon während der Material­herstellung schnell, kontakt­frei und groß­flächig die Funktion von Graphen kontrol­liert werden kann“, sagt Julio Chacon von der Yachay Tech Uni­versity. Dadurch wird es möglich, maßge­schneiderte Materia­lien mit kontrol­lierten elek­trischen Transport­eigenschaften zu erhalten und für die Anwendung in der Halbleiter­industrie zu nutzen.

FAU / JOL

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