Das Wunder aus dem Bleistiftstrich

Von Helga Rietz
14.08.2007
, 16:27
Feines Netz aus Kohlenstoff-Atomen: Die wellige Struktur stabilisiert das Graphen
Eine neue Form von Kohlenstoff verzückt die Materialforscher: Graphen, ein Atomnetz mit Wabenmuster, verspricht allerhand - natürlich auch den Quantencomputer.
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In der Elektronik ist heute alles klein, sehr klein. Wenn sich also ein Material anschickt, sie noch einmal zu revolutionieren, wie einst das Silicium, dann muss es schon besonders filigrane Abmessungen erlauben - aber nicht notwendig in allen drei Raumrichtungen. Eine reicht vielleicht schon, wenn sie dafür eine Million Mal dünner ist als ein Blatt Papier. So wie eine Form von Kohlenstoff, die anders als Graphit nicht aus vielen parallelen Lagen, sondern aus einer einzelnen Ebene wabenartig vernetzter Atome besteht. Der überraschend stabile Kristall wird Graphen genannt -, mit Betonung auf der Endung.

Dabei hielt man das neue Lieblingsmaterial der Festkörperphysiker lange für ein rein theoretisches Konstrukt. Allein die Schwingungen der Atome gegeneinander würden so ein Netz zerstören, glaubte man. So war die Überraschung groß, als Andre Geim und Kostya Novoselov vor drei Jahren kleine Flocken Graphen präsentierten. Die Herstellung war den Physikern aus Manchester mit einer reichlich hemdsärmeligen Technik gelungen: Mit gewöhnlichem Klebeband zogen sie von winzigen Graphitkristallen, wie man sie in jeder Bleistiftspur findet, wenige Atomlagen dicke Schichten ab. Die Plättchen pressten sie auf eine Unterlage aus Siliciumoxid und wiederholten den Vorgang so lange, bis einzelne Graphen-Kristalle vorlagen.

Leichte Wellen im Wabenmuster

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Dass sich die zweidimensionalen Kristalle nicht, wie angenommen, aufrollen oder verklumpen, verdanken sie leichten Wellen im regelmäßigen Wabenmuster: Die stabilisierenden Dellen sind nur einen Nanometer hoch und überspannen etwa hundert Atome. Das zeigten vor kurzem Messungen am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart.

Wie geknitterte Seide: Graphen-Schichten unter dem Elektronenmikroskop
Wie geknitterte Seide: Graphen-Schichten unter dem Elektronenmikroskop Bild: Andre Geim/University of Manchester

Die außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften der Graphen-Kristalle weckten schnell das Interesse der Halbleiterindustrie. Denn obwohl es sich bei Graphen weder um einen Halbleiter noch um ein Metall handelt, leitet es Strom und Wärme ausgesprochen gut. Das ist eine Folge der Wabenstruktur: Von den vier Elektronen, mit denen jedes Kohlenstoffatom nach außen hin anbandeln könnte, braucht es im Wabenverband nur drei. Das vierte kann sich überall auf der Kristallebene aufhalten und kann im Verein mit seinen Artgenossen fast ungestört von Zusammenstößen mit den Gitteratomen einhergleiten und verlustarm elektrische Energie transportieren.

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Damit kommt das Graphen gerade recht. Denn die Miniaturisierung elektronischer Komponenten aus Silicium stößt in absehbarer Zeit an ihre physikalischen Grenzen. Dann muss ein neues Material gefunden werden, das eine weitere Verkleinerung der Schaltungselemente erlaubt. Graphen könnte dafür ein geeigneter Kandidat sein.

Schmale Bänder aus Graphen statt Kupferleitungen

Max Lemme von der Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik (AMO) untersucht in Aachen, inwieweit Graphen sich für einen Einsatz in elektronischen Komponenten eignet. Zwei Ansätze verfolgt seine Arbeitsgruppe: Zum einen sollen schmale Bänder aus Graphen die Kupferzuleitungen an elektronischen Bauteilen ersetzen, die Herstellung eines ersten Transistors ist ihnen bereits gelungen. "Voraussetzung dafür ist allerdings, dass es gelingt, Graphen großflächig in ausreichender Qualität herzustellen, etwa mit ähnlichen Techniken, wie man sie heute für Silicium verwendet", sagt Lemme. "Außerdem müsste man diese Schichten mit einer Genauigkeit von etwa fünf Nanometern schneiden können."

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Davon kann heute noch keine Rede sein, wenn auch zahlreiche Forschungsgruppen an der Entwicklung zuverlässiger Fertigungsmethoden für große Graphenlagen arbeiten. "Aussichtsreiche Verfahren gibt es da bereits", sagt Thomas Seyller von der Universität Erlangen-Nürnberg, "diese sind aber noch Gegenstand intensiver Grundlagenforschung." Bisher müssen sich die Physiker noch mit wenige Mikrometer großen Flocken begnügen. "Das reicht für die derzeit wichtigen Orientierungsexperimente aus", sagt Heinrich Kurz, der Direktor der AMO. Was die großtechnische Herstellung für künftige Anwendungen angeht, könne man unbesorgt sein: "Wenn die mikroelektronische Technik dort ihre Waffen ansetzt, wird sich auch das realisieren lassen", sagt Kurz.

Jüngste Publikationen beschränken sich nicht auf die Mikroelektronik, wenn es um die Anwendungen des Graphen geht: So berechneten Forscher aus Großbritannien und den Vereinigten Staaten im März dieses Jahres, dass Graphenkristalle Elektronenwellen in die "falsche" Richtung beugen - ähnlich wie sogenannte Metamaterialien es mit elektromagnetischer Strahlung machen. Damit ließen sich aus der welligen Kohlenstoffmembran Linsen und Strahlteiler für Elektronenwellen konstruieren.

Ideale Sensoren kleinster Gasmengen?

Ende Juli schlugen die Wissenschaftler um Andre Geim vor, Graphen als hochempfindlichen Detektor für Gasmoleküle einzusetzen. Ihre Messungen hatten gezeigt, dass bereits die Anlagerung einzelner Moleküle etwa von Ammoniak oder Stickstoffdioxid die Leitfähigkeit des Graphens sprunghaft veränderte, so dass sich daraus ideale Sensoren für kleinste Mengen giftiger Gase konstruieren ließen. Fast zeitgleich präsentierten Wissenschaftler aus Illinois in Nature die Herstellung papierartiger Folien aus Graphen. Die außerordentlich reißfesten und stabilen Kohlenstoffschichten, so die Forscher, könnten in Verbundwerkstoffen Polymere, Metalle oder Keramiken verstärken.

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Von diesen Sensationsmeldungen hält Siegmar Roth vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung nichts: "Dass ein winziges Atomgitter empfindlich auf den Kontakt mit einzelnen Fremdmolekülen reagiert, ist keine Überraschung." Außerdem sei das Gaphen chemisch viel zu bindungsfeindlich, um eingebettet in einen Kunststoff Materialeigenschaften, zum Beispiel die Zugfestigkeit, verbessern zu können. Dem stimmt auch Lemme zu: "Damit das funktioniert, müsste man das Graphen erst chemisch modifizieren."

Noch kein Nachfolger des Siliciums

Noch sei es zu früh, Graphen als Nachfolger des Siliciums in der Mikroelektronik zu handeln, sagt Daniel Loss von der Universität Basel, verweist aber auf die enormen Fortschritte der Halbleitertechnik in den vergangenen zehn Jahren. Seine Ideen für die künftige Anwendung von Graphen gehen noch deutlich weiter als die seiner Kollegen: Graphenlagen könnten in Zukunft die Grundlage eines Quantencomputers bilden, in dem die magnetischen Momente von Elektronen - gefangen in sogenannten Quantenpunkten - die Informationsträger stellen.

Einen besonderen Reiz hätten die welligen Kohlenstoffkristalle aber selbst dann, wenn sich die hochfliegenden Hoffnungen auf vielfältige Anwendungen nicht erfüllen sollten: Denn die Ladungsträger, die sich durch die Graphenebene bewegen, gehorchen dabei näherungsweise der sogenannte Dirac-Gleichung, die nahezu lichtschnelle Quantenteilchen beschreibt. Das überrascht, denn für die Verhältnisse in Festkörpern reicht üblicherweise die nur für langsame Quanten gültige Schrödinger-Gleichung. In den dünnen Kohlenstofflagen könnten also Antworten auf fundamentale Fragen der Physik schlummern, die man momentan in großen Teilchenbeschleunigern sucht.

Quelle: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 12.08.2007, Nr. 32 / Seite 60
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