"Wunder"-Material Graphen
| 09. Juli 2013
Unglaubliche Festigkeit und geringes Gewicht: Graphen haben große Erwartungen in der modernen Materialwissenschaft geweckt (Foto: AlexanderAIUS/Wikipedia)
Physiker der Universität Wien haben eine neuartige Struktur aus hochwertigem Metall-Silicid erzeugt, die von einer schützenden Graphen-Schicht bedeckt ist: Dessen vielfältiger und weitreichender Einsatz in der Elektronik, könnte die traditionelle Silizium-Technologie ergänzen oder sogar ersetzen.
Die einzigartigen Eigenschaften von Graphen wie z.B. seine unglaubliche Festigkeit und sein zugleich äußerst geringes Gewicht haben große Erwartungen in der modernen Materialwissenschaft geweckt. Graphen – ein zweidimensionaler Kristall aus Kohlenstoff-Atomen, der in einem bienenwabenförmigen Muster angeordnet ist – steht schon lange im Zentrum intensiver Forschung, die 2010 in einem Nobelpreis für Physik gipfelte.
Eine richtungsweisende Herausforderung ist die erfolgreiche Einbindung von Graphen in die etablierte Metall-Silicid-Technologie. Forschern der Gruppe "Elektronische Materialeigenschaften" der Universität Wien und ihren internationalen KollegInnen von Forschungsinstituten in Deutschland und Russland ist nun ein erster Schritt in diese Richtung gelungen: Sie erzeugten eine neuartige Struktur aus hochwertigem Metall-Silicid, die von einer schützenden Graphen-Schicht bedeckt ist. Diese zweidimensionalen Schichten sind so dünn wie ein einzelnes Atom. Ihre Methode – die Forschungsergebnisse dazu sind im neuen Open Access Journal "Scientific Reports" des Verlagshauses Nature erschienen – könnte wegweisend für die Materialwissenschaften werden.
In Einsteins Fußstapfen
Um die grundlegenden Eigenschaften der neuen Struktur zu entschlüsseln, greifen die WissenschafterInnen zu leistungsstarken Messtechniken, die auf einer von Einsteins brillanten Entdeckungen beruhen – auf dem photoelektrischen Effekt. Wenn ein Lichtteilchen mit einem Material wechselwirkt, kann es all seine Energie auf ein Elektron innerhalb des Materials übertragen. Wenn die Energie des Lichts ausreichend groß ist, gewinnt das Elektron genug Energie, um aus dem Material auszubrechen.
| Die Bilder zeigen die Messaufnahmen, die während des Wachstums von Nickel-Silicid unter der Graphen-Schicht mithilfe der Spektroskopiemethode ARPES entstanden sind. Anhand des letzten Bilds (d) erkennen die WissenschafterInnen, dass das Graphen nur schwach mit den Metall-Siliciden wechselwirkt und daher seine einzigartigen Eigenschaften behält (lineares Dirac-artiges Spektrum von Graphen-Elektronen). (Copyright: Vilkov et al.) |
|---|
Wertvolle Informationen über die elektronischen Eigenschaften des Materials können die WissenschafterInnen dann mithilfe der sogenannten winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) gewinnen, indem sie den Winkel messen, unter dem die Elektronen das Material verlassen. "Schichten so dünn wie einzelne Atome und daraus hergestellte Hybridmaterialien ermöglichen uns, eine Fülle von ungewöhnlichen elektronischen Phänomenen zu studieren. Die ARPES-Methode spielt dabei eine Schlüsselrolle", sagen Alexander Grüneis und Nikolay Verbitskiy, Mitglieder der Gruppe "Elektronische Materialeigenschaften" an der Universität Wien und Co-Autoren der Publikation.
Anwendung bei Halbleitern und Photovoltaik
In ihren Untersuchungen fanden die WissenschafterInnen heraus, dass die mit Graphen überzogenen Silicide zuverlässig gegen Oxidation geschützt sind und ein breites Spektrum von elektronischen Materialien und anwendungsorientierten Bauelementen abdecken können.
Eine besonders wichtige Entdeckung ist dabei, dass die Graphen-Schicht selbst kaum mit den darunterliegenden Siliciden wechselwirkt. Dadurch bleiben die einzigartigen Eigenschaften von Graphen überwiegend erhalten. Die Arbeit des Forscherteams wartet mit einem ausgeklügelten Verfahren auf, um Graphen mit der bestehenden Metall-Silicid-Technologie zu verknüpfen, die eine breite Anwendung in Halbleiterbauelementen, Spintronik, Photovoltaik und Thermoelektrik findet. (af)
Die Publikation "Controlled assembly of graphene-capped nickel, cobalt and iron silicides" (AutorInnen: O. Vilkov, A. Fedorov, D. Usachov, L. V. Yashina, A. Generalov, K. Borygina, N. I. Verbitskiy, A. Grüneis und D. V. Vyalikh) erschien am 9. Juli 2013 in Scientific Reports.
