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23.01.2014 | Werkstofftechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Wenn Graphen Wellen schlägt

Autor:
Dieter Beste

Bei Einwirkungen von außen oder aufgrund von Kristalldefekten im Innern geraten Materialien unter mechanischen Stress, den sie abzubauen suchen. Was aber passiert, wenn sich in atomlagendünnen Graphen-Schichten Spannungen aufbauen?

In der Online-Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift Nature berichten jetzt Wissenschaftler der Universität Erlangen-Nürnberg, wie zweilagiger Kohlenstoff (Bilagen-Graphen) in erstaunlicher Weise innere Spannungen abbaut, die an Defekten auftreten: Das Material schlägt Wellen. Die Ergebnisse liefern nicht nur grundlegende Einblicke in das Wechselspiel von Defekten und mechanischen Spannungen in Nanomaterialien, sondern könnten auch die Tür zu neuen Wegen öffnen, um die elektronischen Eigenschaften von Bilagen-Graphen und anderen ultradünnen Schichtkristallen gezielt zu verändern. Denn bei Graphen, so Günter Gottstein in „Materialwissenschaft und Werkstofftechnik“, führt die ebene Ausrichtung der kovalenten Bindung des Kohlenstoffs mit jeweils drei nächsten Nachbarn zu einer besonderen Elektronendichteverteilung, die zwei unterschiedliche Ausprägungen der Bandstruktur zur Folge hat: entweder Halbleiter oder Metall (Seite 468).

Zunächst stellten die Wissenschaftler hochwertiges Bilagen-Graphen bei Temperaturen über 1750 °C auf atomar glatten Oberflächen von Siliziumkarbid-Einkristallen her. Mit einer ausgeklügelten Methode, die in der Arbeitsgruppe von Heiko Weber entwickelt wurde, gelang es dann, das Siliziumkarbid an einzelnen Stellen selektiv zu entfernen, ohne das Graphen zu zerstören. „Die resultierenden Membranen eignen sich ideal für Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop, da sie in einen festen Rahmen aus Siliziumkarbid eingespannt sind, ähnlich wie eine Sprungmatte im Trampolin“, berichten Benjamin Butz und Erdmann Spiecker von der Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie, in der die mikroskopischen Analysen durchgeführt wurden.

Eine erstaunliche Beobachtung

Bei ihren Untersuchungen machten die Erlanger Forscher eine erstaunliche Beobachtung: Anstelle des perfekten Bilagen-Graphens, bei dem die Atome auf streng periodischen Gitterplätzen liegen und die beiden Atomlagen eine definierte Stapelung besitzen, zeigten sich in regelmäßigen Abständen linienartige Kristallbaufehler, sogenannte Versetzungen. „Solche Defekte treten auf, wenn sich während der Herstellung eine Atomlage des Bilagen-Graphens relativ zur anderen ausdehnt oder zusammenzieht“, erklärt Spiecker. „Geschieht das, passen die beiden Lagen nicht mehr exakt aufeinander, da die eine ja mehr Atome unterbringen muss als die andere.“ Da das Bilagen-Graphen jedoch ganz bestimmte Stapelanordnungen energetisch bevorzugt, versucht es, auf möglichst großen Flächen in diese „einzurasten“. Als Folge entstehen abwechselnd Streifen, in denen das Bilagen-Graphen günstig gestapelt und weitgehend spannungsfrei ist, und solche, in denen die Stapelanordnung gestört ist und die beiden Atomlagen stark gegeneinander verspannt sind.

Entspannung durch Wellenbildung

Lassen sich aber solch starke innere Spannungen, wie sie an den Versetzungen auftreten, in einer nur zwei Atomlagen dünnen Membran aufrechterhalten? – Die Antwort heißt „nein“, wie die Erlanger Wissenschaftler belegen konnten. „Weil die Membran so dünn ist, kann sie sich fast beliebig verbiegen, um die inneren Spannungen abzubauen“, erläutert Benjamin Butz. Dass dies tatsächlich passiert, belegen Computersimulationen, die in der Arbeitsgruppe von Bernd Meyer am Computer-Chemie-Centrum der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt und direkt mit den Experimenten verglichen wurden. Im Computer wird die experimentelle Situation um solche Versetzungen nachgestellt. Hierbei wird jedes einzelne Kohlenstoffatom mit seinen Bindungen innerhalb seiner Atomlage, aber auch die wesentlich schwächere Wechselwirkung zwischen den beiden Lagen berücksichtigt. Wird die Gesamtenergie des Systems minimiert — dies entspricht dem Zustand, den ein Material gerne einnimmt, sofern keine äußeren Kräfte wirken —, schlägt die Membran Wellen, an jeder Versetzung eine. „Das Erstaunliche ist, dass durch die Bildung von Wellen die Spannungskonzentration an den Versetzungen nahezu komplett abgebaut wird“, kommentiert Bernd Meyer.

Lassen sich elektronische Eigenschaften gezielt verändern?

Die Ergebnisse der Erlanger Materialforscher haben weitreichende Folgen für die Forschung an Graphen aber auch an verwandten Materialien wie etwa Bornitrid oder Dichalkogeniden. „Derzeit versucht man, innere Spannungen in Bilagen-Graphen einzubringen, um die elektronischen Eigenschaften des Materials gezielt zu verändern“, berichtet Benjamin Butz. „Die Versetzungen und die Art und Weise, wie Bilagen-Graphen mit den auftretenden inneren Spannungen umgeht, könnten die Tür zu neuen Konzepten öffnen.“ Darüber hinaus liefern die Erlanger Resultate grundlegende Erkenntnisse zum Verhalten von Versetzungen in Nanomaterialien.

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