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Graphen – Wundermaterial für eine neue Elektronik?

Was besteht aus nur einer Schicht Kohlenstoff und beschäftigt Physiker seit 20 Jahren? Die Antwort: Graphen. Dieses in seiner Struktur an einen Maschendrahtzaun erinnernde Material ist härter als Stahl und besitzt besondere elektronische Eigenschaften. Dadurch könnte das Graphen ganz neue Anwendungen ermöglichen. Doch was steckt hinter diesem "Wundermaterial" und wie weit ist die Entwicklung?

Visualisierung einer Graphenoberfläche
Graphen besteht aus nur einer Lage Kohlenstoffatome und gilt seit seiner Entdeckung als Wundermaterial.
Je dünner ein Blatt Papier ist, desto leichter zerreißt es. Stellt man sich eine dünne Folie vor, die aus nur einer Lage von Atomen besteht, sollte diese extrem instabil sein, dachten sich Physiker. Zumindest, bis die Materialforscher Andre Geim und Konstantin Novoselov sie eines Besseren belehrten. Denn wie sie herausfanden, ist eine zweidimensionale Schicht von Kohlenstoff - auch als Graphen bezeichnet - härter als Stahl und besitzt außerdem erstaunliche elektrische Eigenschaften.

Die beiden Forscher erhielten dafür vor 20 Jahren den Nobelpreis. Die Methode, mit der die Physiker ihr Graphen herstellten, erscheint dabei ziemlich einfach. Mit einem Stück Tesafilm rissen sie von einem Graphitblock Flocken ab. Von dieser Flocke trennten sie mit einem weiteren Stück Tesafilm weitere Kohlenstoff-Schichten ab. Dies wiederholten sie so lange, bis sie eine einatomige Schicht aus Kohlenstoff erhielten, die sie anschließend mit Lösungsmitteln vom Tesafilm entfernen und so näher untersuchen konnten.

In Graphen sind die Kohlenstoffatome auf spezielle Weise miteinander verbunden. Die Struktur der einatomigen Schicht ähnelt dem Sechseckmuster von Honigwaben oder einem Maschendrahtzaun – und sie birgt das Geheimnis der besonderen physikalischen und elektronischen Eigenschaften des Graphens.

Denn in dieser hexagonalen Anordnung ist jedes der Kohlenstoffatome mit drei weiteren Kohlenstoffatomen verbunden. Der Kohlenstoff kann sich mit seinen Elektronen an insgesamt vier weitere Atome binden. Die Elektronen der vierten möglichen "Andockstelle" bleiben jedoch frei und können ohne nennenswerten Widerstand auf der Kohlenstoffschicht „surfen“, was zu einer extrem hohen Leitfähigkeit führt. Dank dieser extrem mobilen Elektronen könnte Graphen die Elektronik revolutionieren und den Halbleiter Silizium ersetzen - so jedenfalls die Hoffnung.

Wundermaterial am Limit

Doch zwischenzeitlich flaute der Hype um das Wundermaterial etwas ab. Das Problem: Graphen besitzt keine Bandlücke. Diese bestimmt, ob und wie viel Energie man dem Material zuführen muss, damit seine Elektronen mobil werden und das Material leitend wird. Eine solche Energielücke ist damit auch eine Voraussetzung für den Einsatz in Transistoren, in denen durch eine Steuerspannung festgelegt wird, ob der Strom fließt oder nicht. Dieses "Stop" oder "Go" entspricht den binären Einheiten „0“ oder „1“ – den Einheiten, die die Grundlage der digitalen Datenverarbeitung bilden. Gerade die schnellen Ladungsträger im Graphen waren also ein Problem.

Weitere Schwierigkeiten traten bei der Herstellung auf: Die Produktion von Graphen mit Tesafilm ist einfach, aber nicht für größere Mengen geeignet. Denn es ist ziemlich mühselig, Schicht um Schicht von einem Graphitblock abzuziehen. In der industriellen Produktion nutzt man deshalb eher die Methode der Gasphasenabscheidung. Bei diesem Verfahren zersetzt sich eine methanhaltige Gasmischung in einem Spezialofen zu Kohlenstoff, der sich als Graphen auf einem Metallträger absetzt. Das Graphen wird anschließend vom Träger gelöst und man erhält die gewünschte einatomige Kohlenstoffschicht. Allerdings entstehen bei diesem Verfahren zahlreiche Defekte und Risse. Diese großtechnisch produzierte Graphen-Form ist deshalb nicht für jede Anwendung geeignet.

Von biegsamer Elektronik bis zum Graphen-Kondom

Graphen hat aufgrund dieser Schwierigkeiten zwar (noch) nicht die Elektronik revolutioniert, aber zahlreiche Nischenwendungen gefunden. Zu diesen gehören unter anderem graphenbasierte organische Leuchtdioden oder hochempfindliche Photosensoren. Die mechanischen Eigenschaften des "Wundermaterials" machen es außerdem interessant für Touchscreens: Graphen ist zwar härter als Stahl, aber trotzdem extrem biegsam. Damit ist es der ideale Kandidat für flexible elektronische Displays. Es gibt bereits Prototypen für erste biegsame Displays, die auf Graphen basieren.

Andere Einsatzgebiete muten dagegen eher recht exotisch an – darunter sind antibakterielle Luftfilter, Haarfärbemittel oder graphenbeschichtete Kondome, die besonders reißfest sein sollen. Denn wie britische Forscher herausfanden, macht eine Beimischung von Graphen zum Gummi der Kondome diese um 50 Prozent stabiler. Eher draußen als drin halten könnte Graphen dagegen unliebsame Akteure bei der Mückenabwehr: Eine Beschichtung aus Graphen wirkt wie eine Barriere für die Stechinsekten und stört zudem ihre Wirtsfindung, wie jüngst eine Studie zeigte.

Doch damit ist die Forschung in diesem Bereich noch nicht am Ende angelangt. Das Interesse an Graphen wurde im Jahr 2018 wieder entfacht: Als Forscher zwei Schichten Graphen um genau 1,1 Grad gegeneinander verdrehten und eine Spannung anlegten, stellten sie fest, dass das Material supraleitend wurde: Plötzlich leitete es Strom ohne jeden Widerstand. Eine solche Supraleitung könnte unter anderem dabei helfen, Strom und Daten künftig verlustfrei durch beispielweise städtische Leitungsnetze zu senden. Bisherige Supraleiter benötigen aber sehr tiefe Temperaturen oder starken Druck, um in diesem widerstandfreien Zustand zu wechseln.

Beim Graphen scheint dies dagegen nicht der Fall zu sein. Damit steht Graphen am Anfang eines neuen Forschungstrends – der Supraleitung von gegeneinander verdrehten Schichten. Und wer weiß, welche weiteren Überraschungen das wundersame Material in der Zukunft bereithält.

SRE, 10.01.2020
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