09.07.2020

Löchrige Graphenbänder

Mit Stickstoff dotierte Graphenstruktur zeigt halbleitende Eigenschaften.

Das Kohlenstoff­material Graphen ist ein hervor­ragender elektrischer Leiter und besitzt eine erstaun­lich große Festigkeit und Steifheit. Forschungs­teams weltweit sind dabei, die Palette seiner besonderen Merkmale noch zu erweitern, indem sie Kohlenstoff­atome des Gitters durch andere Atome ersetzen. Auch durch die Bildung von Löchern im Kristall­gitter können sie die elektrischen und magne­tischen Eigenschaften modi­fizieren. Einem Team um den Physiker Ernst Meyer von der Universität Basel und um die Chemikerin Shi-Xia Liu von der Universität Bern ist es nun erstmal gelungen, Graphen­bänder herzu­stellen, die sowohl periodisch mit Löchern versehen sind wie auch regel­mäßig Stickstoff­atome im Kristall­gitter besitzen. Die Struktur des neuen Materials sieht dabei aus wie eine Leiter, wobei jede Sprosse zwei Stickstoff­atome enthält. 

Abb.: Auf einer Silber­oberfläche lässt sich durch Erhitzen aus den...
Abb.: Auf einer Silber­oberfläche lässt sich durch Erhitzen aus den einzelnen Bau­steinen ein löchriges Graphen­band synthe­tisieren, das halb­leitende Eigen­schaften aufweist. (Bild: U. Basel)

Die Forscher synthetisieren diese stickstoff­haltigen, löchrigen Graphen­bänder auf einer Silber­oberfläche. Sie erhitzen schrittweise die einzelnen Bausteine auf der Oberfläche im Vakuum. Bei Tempera­turen von 220 Grad Celsius bilden sich die erwünschten Bänder. Die Wissen­schaftler konnten mittels Rasterkraft­mikroskopie die einzelnen Synthese­schritte verfolgen und die perfekte Leiter­struktur des Moleküls sowie seine Bestän­digkeit bestätigen.

Durch tunnelspektro­skopische Analysen zeigten die Wissen­schaftler zudem, dass diese neuen Graphenbänder keine elek­trischen Leiter mehr sind wie reines Graphen, sondern sich wie Halbleiter verhalten. Theoretische Berech­nungen der elek­tronischen Eigen­schaften durch Kollegen der Univer­sitäten Bern und Warwick bestätigten diese Ergebnisse. „Für elek­tronische Anwendungen sind die halb­leitenden Eigenschaften sehr wichtig, da sich ihre Leit­fähigkeit spezifisch einstellen lässt“, sagt Rémy Pawlak.

Wie aus der Literatur bekannt, bewirkt eine hohe Konzen­tration an Stickstoff­atomen im Kristall­gitter, dass sich die Graphen­bänder in einem Magnetfeld magne­tisieren. „Wir erwarten außer­gewöhnliche magnetische Eigen­schaften dieser löchrigen, mit Stickstoff dotierten Graphen­bänder“, kommentiert Ernst Meyer. „Daher könnten die Bänder in Zukunft für Quanten­computing-Anwen­dungen von Interesse sein.“

U. Basel / JOL

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