Wieso Fehler an Graphen interessant sind

31. Mai 2014, 18:00
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Forscher der Uni Wien beobachten erstmals, wie sich ein Defekt auf atomarer Ebene fortbewegt und verändert

Wien - Graphen, ein zweidimensional strukturiertes Kohlenstoffgitter, gilt als "Wundermaterial" für viele mögliche Anwendungen. Doch dieses nur eine Atomlage dünne Material ist nicht frei von Defekten. Diese verändern Materialeigenschaften und sind deshalb interessant für die Forschung. Physiker der Uni Wien konnten erstmals beobachten, wie sich ein solcher Defekt auf atomarer Ebene fortbewegt und verändert, berichten sie im Fachjournal "Nature Communications".

Graphen ist das dünnste, steifste und stärkste bekannte Material, das die höchste Wärmeleitfähigkeit besitzt, absolut undurchlässig für Gase ist und bei Raumtemperatur elektrischen Strom besser als alle anderen Stoffe leitet. Deshalb gelten diese zweidimensionalen Kristalle aus Kohlenstoff als große Zukunftshoffnung in der Materialforschung. Defekte im Kristallgitter - im perfekten Zustand sind die Kohlenstoffatome in Sechsecken angeordnet - können die Materialeigenschaften verändern, bei hoher Zahl von Fehlstellen etwa die Leitfähigkeit herabsetzen oder die Festigkeit verringern.

Fehler mit Auswirkungen

Jani Kotakoski und Jannik Meyer von der Abteilung Physik Nanostrukturierter Materialien der Universität Wien haben sich in ihrer Arbeit auf einen Defekt konzentriert, bei dem zwei benachbarte Atome im Kristallgitter fehlen. Dadurch verändert sich die Geometrie der Atomanordnung. In der stabilsten Form dieses Defekts entstehen rund um die Fehlstellen etwa vier Fünf- und vier Siebenecke. Durch Wärme können solche Defekte auch in der Kristallstruktur zum Wandern beginnen.

Bisher entzogen sich solche Defekte der Beobachtung durch ein Elektronenmikroskop. Die hohe Energie des Elektronenstrahls ließ die einzelne Defekte während der Beobachtung sehr schnell größer werden oder ganz verschwinden. "In unserem neuen Mikroskop ist die Energie so gering, dass man das Material bei der Beobachtung nicht mehr zerstört, sondern unter Bedingungen betrachten kann, die ähnlich sind wie bei hoher Temperatur", sagt Meyer.

Bei dem neuen Gerät handelt es sich um ein drei Millionen Euro teures Raster-Transmissionselektronenmikroskop (STEM), das im Vorjahr im Zuge der Berufung Meyers zum Professor von der Uni Wien angekauft wurde. Unter diesem Mikroskop bleiben die Defekte über längere Zeit stabil, sodass Statistiken über ihre Bewegung möglich wurden. Zudem konnten die Wissenschafter mithilfe des Elektronenstrahls die Formen des Defekts verändern, die sich in der Anordnung der Atome unterscheiden. "Es war faszinierend, zum ersten Mal zu sehen, wie sich ein Defekt auf atomarer Ebene fortbewegt und sich verändert, während wir ihn beobachten", so Kotakoski. (APA/red, derStandard.at, 31. 5. 2014)

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