Maßgeschneidertes 3D-Graphen

Kohlenstoff ist ein sehr vielseitiges Element. Es bildet nicht nur Diamanten, Graphit und Kohle, sondern kann sich auch in der Ebene zu einem flachen Netz mit sechseckigen Maschen verbinden, Graphen. Dieses aus nur einer Atomlage bestehende Material besitzt eine Reihe extremer Eigenschaften, es ist hoch leitfähig, optisch transparent und mechanisch sowohl flexibel als auch belastbar. Für die Entdeckung dieser exotischen Kohlenstoff-Form erhielten André Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik. Und erst vor kurzem ist es einem japanischen Team gelungen, zweidimensionales Graphen zu einer drei­dimensionalen Architektur mit nanometer­großen Poren aufeinander­zustapeln.

Ein Forscherteam unter Federführung einer Gruppe der Universität Sapienza in Rom hat nun erstmals die optischen Eigenschaften von 3D-Graphen eingehend an BESSY II untersucht. Das Team konnte aus den gemessenen Daten ermitteln, wie sich Ladungs­dichte­schwingungen, so genannte Plasmonen, im drei­dimensionalen Graphen ausbreiten. Dabei stellten sie fest, dass diese Plasmonen den gleichen Gesetz­mäßigkeiten wie in 2D-Graphen folgen.

Die Frequenz der Plasmonen lässt sich im 3D-Graphen jedoch sehr genau kontrollieren: entweder durch Einbringen von Fremd­atomen (Dotierung) oder über die Größe der Nanoporen, oder auch, indem man bestimmte Moleküle gezielt an das Graphen anlagert. Damit könnte sich das neuartige Material auch für die Herstellung von spezifischen chemischen Sensoren eignen. Es ist außerdem interessant als Elektroden­material für den Einsatz in Solarzellen.

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher die IRIS-Beamline an der Berliner Synchrotron­quelle BESSY II genutzt. Dort steht breit­bandige Infrarot­strahlung zur Verfügung, was insbesondere die spektroskopische Untersuchung von neu­artigen Materialien mit Terahertz-Strahlen ermöglicht. „Durch den low-Alpha-Modus, eine besondere Betriebs­form des BESSY II-Speicher­rings, war es möglich, die optische Leitfähigkeit von dreidimensionalem Graphen mit besonders hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu messen. Mit Standard-Methoden ist dies vor allem im Terahertz-Bereich kaum möglich. Gerade dieser Bereich ist aber wichtig, um entscheidende physikalische Eigenschaften zu beobachten“, sagt Ulrich Schade, Gruppen­leiter an der Infrarot-Beamline.

HZB / DE