Science
25.07.2018

Grazer Forscher machen Graphendraht durch Defekte flexibler

Forscher aus Berlin und Graz fanden heraus, dass Defekte die Flexibilität von Graphendraht verbessern.

Die Elektronik der Zukunft soll mit molekülkleinen Bauelementen funktionieren. Graphen - ein extrem dünnes Material, das nur aus einer einzigen Schicht Kohlestoffatomen besteht - gilt als hoffnungsvolles Material in diesem Bereich. Forscher aus Berlin, Graz und New York haben sein mechanisches Verhalten und erstmals den Einfluss struktureller Defekte auf seine elektrische Leitfähigkeit untersucht.

Graphen gehört heute zu den dünnsten herstellbaren Materialien. Es weist eine sechseckig-wabenartige Struktur auf, ist nur eine einzige Atomlage dick und somit nahezu zweidimensional, ist sehr stabil und bleibt dabei biegsam, erklärte der Grazer Experimentalphysiker Leonhard Grill vom Institut für Chemie gegenüber der APA. Zudem ist Graphen ein hervorragender elektrischer Leiter. " Graphendrähte sind interessante Kandidaten als miniaturisierte Bauteile in Computern und sonstigen elektronischen Schaltungen der Nanotechnologie", wie Grill schilderte.

Kooperative Fehler

Doch das verheißungsvolle Material ist nicht frei von Defekten. "Bei der Herstellung können strukturelle Defekte auftreten, weil die Reaktion nicht vollständig abläuft. Es können Stellen entstehen, an denen sich der Kristall nicht ordentlich ausbildet", erklärte der Leiter der Arbeitsgruppe "Single-Molecule Chemistry" der Universität Graz.

"Das genau ist es, was uns interessiert. Wir wollen herausfinden, wie sie die Materialeigenschaften beeinflussen", sagte Grill. In den jüngsten Experimenten, die er mit Kollegen vom Fritz Haber Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin durchgeführt hat, erkannten die Forscher, dass Defekte in gewissen Bereichen auch nahezu keine Effekte haben. Sie haben ihre Erkenntnisse in der jüngsten Ausgabe der "Physical Review Letters" publiziert.

Um die Experimente durchzuführen, haben die Forscher einen Graphendraht im Nanoformat auf einer Goldoberfläche "zusammengebaut". Durch gezielte Veränderung der Probentemperatur konnten sie die Defektdichte in der Molekülkette steuern und das Material im Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop beobachten. Dabei stießen sie auf ein erstes Phänomen: "Wir haben beobachtet, das strukturelle Fehler in Gruppen auftreten und sie auch in Gruppen 'ausgeheilt' werden können. Die Defekte verhalten sich sozusagen kooperativ", wie Grill ausführte.

Leitfähigkeit kaum berührt

Anschließend haben die Forscher den hauchfeinen Draht mit einer sehr feinen Spitze des Rastersondenmikroskops von der Goldunterlage hochgezogen, um die mechanischen Eigenschaften in Zusammenhang mit dem elektrischen Verhalten zu untersuchen. Hier zeigte sich: Je mehr Defekte der Graphendraht hatte, umso mehr konnte er gebogen werden. Die Fehler machen das Material demnach flexibel.

"Interessanterweise stellte sich heraus, dass die Anzahl der Defekte kaum Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit hat", betonte Grill. Das könne vor allem bei Elektronik, die mechanisch flexibel sein sollte, von Interesse sein.