Physik Nobelpreis 2010 für Andre Geim und Konstantin Novoselov: Graphen als Material für die Elektronik von morgen?

Stephan Blankenburg, EMPA

 

Andre Geim und Konstantin Novoselov. Quelle: Wikipedia

Um auch in Zukunft die fortlaufende Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen aufrecht zu halten, bedarf es neuartiger Materialien. Graphen zeigt hierbei ein enormes Potential. Es besteht aus einer nur ein Atom dünnen Kohlenstoffschicht, in der die Atome in Sechsecken angeordnet sind und somit an Honigwaben erinnern. Graphen ist härter als Diamant, extrem reißfest, undurchlässig für Gase und ein hervorragender elektrischer und thermischer Leiter.

Durch Strukturierung des Materials ist es möglich, die elektronischen Eigenschaften kontrolliert zu verändern. Somit wird beispielsweise aus dem Halbmetall Graphen durch Verwendung von schmalen eindimensionalen Graphen-Bändern ein Halbleiter. Weitere Beispiele sind Kohlenstoffnanoröhrchen oder poröses Graphen. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften gelten die Graphen-Materialien somit als mögliche Nachfolger für Silizium in gewissen Bereichen der Halbleitertechnologie.

Die Aktualität von Graphen und verwandten Materialien wird zudem durch den diesjährigen Physik-Nobelpreis für die „Begründer“ der Graphenforschung, Andre Geim und Konstantin Novoselov, unterstrichen. Ihrer Forschungsgruppe in Manchester war es erstmals gelungen, freistehende Graphen-Schichten zu präparieren und detailliert zu charakterisieren.

Der Schweizer Forschungsstandort ist im hart umkämpften Graphen-Feld stark vertreten: So beschäftigt sich die Gruppe um Roman Fasel von der EMPA mit der Herstellung von atomar präzisen Graphen-Strukturen. Mit der Nano-Elektronik von Graphen Bauelementen befassen sich die Gruppen von Klaus Ensslin von der ETH Zürich sowie Christian Schönenberger von der Universität Basel. Auch an der Universität Zürich (Thomas Greber), der EPF Lausanne (Mathias Kläui) und der Universität Genf (Alberto Morpurgo) ist Graphen ein wichtiges Forschungsthema geworden.

Strukturmodell und dreidimensionale Darstellung der Rastertunnelmikroskop-Aufnahme eines zickzackförmigen Graphen-Nanobandes. Einem Team um Roman Fasel von der EMPA und Klaus Müllen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz ist es kürzlich gelungen Graphen-Nanobänder mittels einer oberflächenchemischen Methode aufs Atom genau aufzubauen. Im Gegensatz zum Halbmetall Graphen weisen die so hergestellten ultra schmalen Graphenbänder eine elektronische Bandlücke auf - eine zentrale Voraussetzung für Elektronik-Anwendungen.
Reaktionsschritte zur Herstellung eines Graphen-Nanobandes aus Bianthryl-Monomeren, sowie Rastertunnelmikroskop-Bilder der Reaktionsprodukte. Unter Ultrahochvakuumbedingungen werden die gewünschten Bausteine - im Bild 10,10’-dibromo-9,9’- bianthryl-Monomere - auf einer Goldoberfläche aufgebracht. Im ersten Reaktionsschritt koppeln die Bausteine zu Polyphenylenketten (Mitte). Im zweiten, durch stärkeres Erhitzen eingeleiteten Reaktionsschritt werden Wasserstoffatome entfernt und es entstehen planare, aromatische Graphensysteme – Graphennanobänder (rechts).

 

[Veröffentlicht: Januar 2011]