19.07.2019

Wie Graphen entsteht

Orbitaltomografie offenbart Aufenthaltsort von Elektronen in Atomen.

Vor zehn Jahren haben Forscher aus Jülich und Graz eine neue Methode entwickelt, mit der man Elektronen­orbitale in Molekülen sichtbar machen kann. Nun ist das Verfahren so weit gereift, dass man damit den Verlauf einer chemischen Reaktion auf einer Kupfer­oberfläche mitsamt allen Zwischen­produkten abbilden kann. Als Endprodukt entsteht dabei Graphen. Die Ergebnisse sind unter anderem für die Entwicklung von ultra­dünnen Solarzellen und chemischen Sensoren relevant.

Abb.: Mit der Orbital­tomografie lassen sich in Materialien wie Graphen...
Abb.: Mit der Orbital­tomografie lassen sich in Materialien wie Graphen bestimmte Orbitale bei verschie­denen Energien analysieren. (S. Soubatch, FZJ)

„Eine besondere Heraus­forderung ist die Bestimmung von Reaktions­produkten auf Oberflächen. Etablierte Methoden liefern hier oft keine ein­deutigen Ergebnisse“, erklärt Peter Puschnig vom Institut für Physik der Universität Graz. Mithilfe der Orbital­tomografie können die Wissenschaftler den wahr­scheinlichen Aufent­haltsort von Elektronen in Atomen oder Molekülen mathe­matisch rekonstruieren. Nun wurde diese Methode erstmals auf die thermisch induzierte Reaktion des Moleküls Di-Brom-Bianthrazen auf einer Kupfer­oberfläche angewandt.

Bisher war lediglich bekannt, dass hier bei Temperaturen von rund 700 Grad Celsius Graphen entsteht – ein aufgrund seiner Viel­seitigkeit gefeiertes Material. „Davor, bei rund 250 Grad Celsius, bildet sich jedoch schon ein Zwischen­produkt, das Nanographen. Seine chemische Natur konnten wir bislang nicht eindeutig charak­terisieren“, konstatiert Serguei Soubatch vom Forschungs­zentrum Jülich. Zudem war es bis dato nicht möglich gewesen, mit letzter Gewissheit zu klären, ob es bei dieser Reaktion zur Loslösung von Wasserstoff­atomen kommt.

Mithilfe der Orbital­tomografie haben die Forscher nun Klarheit geschaffen. So gelang es ihnen, das zwischen­zeitlich auftretende Nano­graphen eindeutig als das Molekül Bisanthene (C28H14) zu identi­fizieren. „Außerdem haben wir gezeigt, dass sich die Molekül­orbitale, also die räumliche Elektronen­verteilung innerhalb eines Moleküls, bei Entfernen von Wasserstoff­atomen sehr drastisch ändern würden. Dieses Faktum stützt unseren Schluss, dass es sich bei Nanographen um C28H14 handeln muss“, erklärt Stefan Tautz vom Forschungs­zentrum Jülich. Das gewonnene Wissen ist für die Entwicklung neuartiger elek­tronischer Bauelemente, die auf nano­strukturiertem Graphen basieren, von essen­tieller Bedeutung.

FZJ / JOL

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