29.01.2019

Graphen mit Zickzack-Rändern

Neuer Syntheseweg für die Produktion von Zickzack-Nanographen gefunden.

Graphen ist für den Einsatz in der Nano­elektronik ein viel­versprechendes Material. Die elek­tronischen Eigen­schaften hängen unter anderem stark davon ab, wie die Ränder der Kohlenstoff­schicht beschaffen sind – besonders interes­sant sind Zickzack-Muster. Doch bisher ließ sich dieses Rand­muster praktisch nicht erzeugen. Chemikern und Physikern der Friedrich-Alexander-Univer­sität Erlangen-Nürnberg FAU ist es nun gelungen, stabiles Nano­graphen mit Zickzack-Rand herzu­stellen – noch dazu auf eine vergleichs­weise einfache Weise.

Abb.: Der begehrte Zickzack­rand ist entweder bei versetzten Waben­reihen...
Abb.: Der begehrte Zickzack­rand ist entweder bei versetzten Waben­reihen (blau und lila) oder bei vier­armigen Sterne um vier Graphen­waben in der Mitte (rot und grün) zu finden. (Bild: K. Amsharov, FAU)

Bay (Bucht), fjord (Fjord), cove (Nische), arm-chair (Armlehne) und zig-zag (Zickzack) – wenn sich Chemiker diese Begriffe zuwerfen, ist klar wovon sie sprechen: Nano­graphen. Oder besser gesagt beschreiben sie damit, wie die Ränder des Nano­graphens, also von kleinen Graphen­fragmenten, beschaffen sind. Bei Graphen handelt es sich um einlagige Kohlenstoff­strukturen, bei dem jedes Kohlen­stoffatom von drei weiteren umgeben ist. Dadurch entsteht ein Muster wie in Bienen­waben mit Atomen in den jeweiligen Ecken. Nano­graphen ist ein aussichts­reicher Kandidat, um die vorhandene Mikro­elektronik auf Silizium­basis in Zukunft zu ersetzen und auf die Nanoebene zu bringen.

Die elek­tronischen Eigen­schaften des Materials hängen stark von der Form, Größe und insbe­sondere der Peri­pherie, also wie die Ränder struk­turiert sind, ab. Ein besonders geeignetes Muster ist die Zickzack-Peri­pherie, weil bei ihr die Elektronen als Ladungs­träger beweglicher sind als bei anderen Rand­strukturen. Das bedeutet, dass beim Einsatz von Zickzack-Graphen­stücken in nano­elektronischen Bauteilen die Frequenzen für Schaltungen höher sein könnten. Das Problem, an dem bisher Material­wissenschaftler scheiterten, wenn sie allein nur Zickzack-Nano­graphen untersuchen wollten: Ausge­rechnet diese Form führt dazu, dass die eigentlich gewünschten Verbin­dungen nicht stabil sind und nicht kontrolliert herge­stellt werden können. Dies ist jedoch nötig, um die elek­tronischen Eigen­schaften zunächst detailliert unter­suchen zu können.

Die Wissen­schaftler um Konstantin Amsharov vom Lehrstuhl für Orga­nische Chemie II haben genau das jetzt geschafft: Sie haben nicht nur einen einfachen Weg gefunden, Zickzack-Nano­graphen zu synthetisieren. Ihre Vorgehens­weise zeigt darüber hinaus eine fast hundert­prozentige Ausbeute und ist geeignet, große Mengen herzustellen – eine technisch rele­vante Menge haben sie im Labor produziert. Die Forscher erzeugen dafür in einem ersten Schritt Vorläufer­moleküle, die sie dann in mehreren Ring­schlüssen, der Cycli­sierung, zu den ring­förmigen Waben zusammen­fügen. Am Ende kommen Graphen­fragmente aus versetzten Waben­reihen oder vier­armige Sterne um einen Mittelpunkt aus vier Graphen­waben heraus – am Rand das begehrte Zickzack-Muster.

Doch warum führt dieser Weg zu stabilem Zickzack-Nano­graphen? Der Grund liegt darin, dass bereits während der Synthese das Produkt direkt kristal­lisiert – die Moleküle haben im festen Zustand keinen Kontakt zu Sauer­stoff. In Lösung zersetzen sich die Struk­turen durch Oxidation jedoch schnell. Mit ihrem Ansatz sind die Forscher in der Lage, große Graphen­stücke aufzubauen, bei denen sie die Form inklusive der Ränder kontrol­lieren können. Dieser Durchbruch in der Graphen­forschung eröffnet die Chance, schon bald viele interes­sante Nanographen­strukturen herstellen und unter­suchen zu können – die Grundlage, um das Material in nanoelek­tronischen Bauteilen überhaupt einsetzen zu können.

FAU / JOL

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