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30.01.2018 | Kontinuums- + Materialmechanik | Nachricht | Onlineartikel

Eigenschaften zweidimensionaler Materialien vermessen

Autor:
Nadine Winkelmann

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie sind zweidimensional und zeigen völlig neue Eigenschaften. Erstmals ist es Physikern gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. "Das Besondere an diesen Materialien ist, dass sie nur eine Atomlage dick sind, also praktisch nur aus Oberfläche bestehen", erklärt Professor Uwe Hartmann, Experimentalphysiker an der Universität des Saarlandes. Dadurch besitzen sie komplett andere physikalische Eigenschaften als herkömmliche dreidimensionale Materialien. "Die elektronischen Eigenschaften einiger Konfigurationen sind spektakulär: Die Elektronen folgen im Innern der Materialien den Gesetzen der Relativitätstheorie, was in konventionellen Materialien grundsätzlich nicht der Fall ist. Hier liegen interessante Vorteile für elektronische Bauelemente, die sich aus zweidimensionalen Materialien herstellen lassen", erläutert Hartmann. Auch die mechanischen Eigenschaften sind einzigartig. "Einige Materialkonfigurationen zeigen eine Stabilität, die – bezogen auf ihre Dicke – weitaus größer ist als die der stabilsten dreidimensionalen Materialien", sagt er.

Bislang stammen jedoch viele der Informationen über die mechanischen Eigenschaften der neuartigen Materialien aus Simulationsrechnungen. Die zweidimensionalen Materialien ließen sich bisher nur als dünne Filme auf der Oberfläche dreidimensionaler Materialien handhaben, wodurch die Eigenschaften des Gesamtsystems zwangsläufig durch das dreidimensionale Material bestimmt werden. Hartmann ist es in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Neue Materialien INM auf dem Saarbrücker Campus erstmals gelungen, die mechanischen Eigenschaften atomar dünner Kohlenstoff-Modifikationen in Form freitragender Membranen direkt zu vermessen. 

Die Wissenschaftler benutzten Graphen-Monolagen auf einem Substrat, das eine regelmäßige Anordnung von Löchern aufwies. "Die Löcher hatten einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops konnten wir die freitragenden Membranen über den Löchern mit atomarer Präzision analysieren", erklärt Hartmann. Durch Aufnahme von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen konnten insbesondere die vermuteten außerordentlichen mechanischen Eigenschaften nachgewiesen werden. Zu dem zeigten die Forscher, dass freitragende Membranen verschiedene Wellenbewegungen aufweisen und jede äußere Störung in Form neuer angeregter Wellen widerspiegeln. 

Die Studie "Low-force spectroscopy on graphene membranes by scanning tunneling microscopy" wurde in der Fachzeitschrift Nanoscale veröffentlicht.

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