Graphen schlägt Wellen: "Stresstest" unter dem Elektronenmikroskop

24. Dezember 2013, 18:15
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Forscher untersuchten Auswirkungen mechanischer Spannungen in zweilagigem Kohlenstoff

Erlangen/Nürnberg - Stress tritt häufig dann auf, wenn man unter Druck gerät, sei es von außen oder innen. Das gilt nicht nur für Menschen, sondern auch für Materialien und Werkstoffe, wenn sie mechanische Spannungen erfahren: Diese können von außen auf das Material einwirken oder aber im Inneren vorliegen, etwa durch Defekte im Material oder wenn sich ein Teil des Materials ausdehnt, von einem anderen jedoch daran gehindert wird.

Wissenschafter der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg untersuchten die Mechanismen und Auswirkungen innerer Spannungen bei einem Material, das nur aus zwei Atomlagen besteht: Bilagen-Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Fachjorunal "Nature".

Graphen-Membran im Elektronenmikroskop

Die Forscher beschreiben, wie zweilagiger Kohlenstoff – auch Bilagen-Graphen genannt – in erstaunlicher Weise innere Spannungen abbaut, die an Defekten auftreten. Dazu führten sie detaillierte elektronenmikroskopische Analysen an freistehenden Membranen aus Bilagen-Graphen durch und verglichen diese mit aufwändigen Computersimulationen.

Zunächst stellten die Wissenschafter dazu hochwertiges Bilagen-Graphen bei Temperaturen über 1750 °C auf atomar glatten Oberflächen von Siliziumkarbid-Einkristallen her. Mit einer speziellen Methode 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", erläutern Benjamin Butz und Erdmann Spiecker von der Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie, in der die mikroskopischen Analysen durchgeführt wurden.

Charakteristische Kristallbaufehler

Bei ihren Untersuchungen nutzten die Forscher ein hochmodernes aberrationskorrigiertes Transmissionselektronenmikroskop, mit dem sich das Graphen bei reduzierter Elektronenenergie ausgiebig studieren lässt, ohne beschädigt zu werden. Dabei machten sie eine erstaunliche Entdeckung: 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. Letztere entsprechen eben den Versetzungen. Die Konzentration innerer Spannungen an Versetzungen ist eines der Charakteristika dieser Kristallbaufehler, die in der Materialforschung eine extrem wichtige Rolle spielen.

Entspannung durch Wellenbildung

Derart starke innere Spannungen, wie sie an den Versetzungen auftreten, lassen sich jedoch in einer nur zwei Atomlagen dünnen Membran nicht aufrechterhalten, wie die Forscher belegen konnten. "Weil die Membran so dünn ist, kann sie sich fast beliebig verbiegen, um die inneren Spannungen abzubauen", erläutert der Physiker Butz. Dass dies tatsächlich passiert, belegen Computersimulationen, die mit den Experimenten verglichen wurden.

Die Ergebnisse sind für die Materialforschung höchst relevant, nicht nur für Graphen sondern auch verwandte Materialien, etwa Bornitrid oder Dichalkogeniden. "Derzeit versucht man, innere Spannungen in Bilagen-Graphen einzubringen, um die elektronischen Eigenschaften des Materials gezielt zu verändern", so 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 Resultate grundlegende Erkenntnisse zum Verhalten von Versetzungen in Nanomaterialien. "Bilagen-Graphen ist das dünnste Material überhaupt, in dem solche ausgedehnten Versetzungen eingeschlossen werden können", so Spiecker. "Es ist somit ein ideales Modellsystem, um die Wechselwirkung von Versetzungen mit freien Oberflächen zu studieren." (red, derStandard.at, 23.12.2013)

  • Um innere mechanische Spannungen an Kristallbaufehlern abzubauen, bildet zweilagiges Graphen Wellen aus.
    grafik: fau

    Um innere mechanische Spannungen an Kristallbaufehlern abzubauen, bildet zweilagiges Graphen Wellen aus.

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