10.11.2010

Reaktionsweg zur Synthese von graphenartigen Materialien erklärt

Forscher erklären die Herstellung von graphenartigen Materialien mit einer oberflächenchemischen Methode.

Reaktionsweg zur Synthese von graphenartigen Materialien aufgeklärt

Forscher erklären die Herstellung von graphenartigen Materialien mit einer oberflächenchemischen Methode.

Graphen gilt als Kandidat für die künftige Nanoelektronik - Methoden, mit denen sich graphenartige Materialien mit gewünschten elektronischen Eigenschaften herstellen lassen, fehlen jedoch noch. Forscher der Schweizer Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) haben nun mit einer oberflächenchemischen Methode graphenartige Materialien synthetisiert und den zugehörigen Reaktionsmechanismus aufgeklärt.

Abb.: Rastertunnelmikroskop-Aufnahme mehrerer Nanographene sowie der zwei stabilen Zwischenprodukte auf einer Kupferoberfläche. Die Molekülmodelle zeigen das Nanographen (unten rechts) sowie die beiden Zwischenprodukte (oben und links). Der Durchmesser der Moleküle liegt in der Realität bei etwa einem Nanometer. (Bild: Empa)

Anhand eines prototypischen Polyphenylens hat das Forschungsteam zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz und der Universität Zürich im Detail aufgedeckt, wie der Reaktionsweg der so genannten Cyclodehydrierung auf einer Kupferoberfläche abläuft und wie sich die Bausteine zu einem planaren Nanographen koppeln.

Für ihre «Aufklärungsarbeit» kombinierten die Forschenden experimentelle Beobachtungen – vor allem am Rastertunnelmikroskop – mit Computersimulationen. Diese berechnen, ob ein theoretisch denkbarer Reaktionsschritt energetisch überhaupt möglich ist. Ergebnis: Der Reaktionsweg verläuft über sechs Schritte mit fünf Zwischenprodukten, wobei die Reaktionsbarrieren zwischen diesen durch die katalytische Aktivität der Oberfläche verringert wird. Zwei Zwischenprodukte werden durch die Oberfläche derart stabilisiert, dass sie mit dem Rastertunnelmikroskop abgebildet werden konnten.

Um mit den gängigen Herstellungsverfahren der Elektronik kompatibel zu sein, eignen sich Metalloberflächen wie Kupfer allerdings nicht. Die graphenartigen Materialien müssen auf Halbleitersubstraten «wachsen». Das Forschungsteam hat mit Simulationen deshalb auch durchgerechnet, ob dies funktionieren könnte - und fand positive Hinweise darauf.

Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt / AL


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