Rastertunnelmikroskop-Aufnahme mehrerer Nanographene sowie der zwei stabilen Zwischenprodukte auf einer Kupferoberfläche. Die Molekülmodelle zeigen das Nanographen (unten rechts) sowie die beiden Zwischenprodukte (oben und links). Der Durchmesser der Moleküle liegt in der Realität bei etwa einem Nanometer.
Die computergenerierten Bilder zeigen Details der beiden theoretisch vorausgesagten Zwischenprodukte, die die Empa-Forschenden mit dem Rastertunnelmikroskop beobachten konnten.
Dübendorf - Graphen ist zuletzt durch den Nobelpreis an die beiden Physiker Konstantin Nowoselow und Andre Geim für deren bahnbrechende Experimente mit dem "Wundermaterial" in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Heute gilt es unter anderem als vielversprechender Kandidat für den Einsatz in künftiger Nanoelektronik.
Methoden, mit denen sich graphenartige Materialien mit gewünschten elektronischen Eigenschaften herstellen lassen, fehlen jedoch noch. Wissenschafter von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben nun mit einer oberflächenchemischen Methode graphenartige Materialien synthetisiert und den entsprechenden Reaktionsmechanismus im Detail aufgeklärt.
Nanoelektronik
Die Forschenden stützten sich dabei auf eine Kombination von experimentellen Untersuchungen mit Computersimulationen, wie sie in der Fachzeitschrift Nature Chemistry erklären. Elektronische Bauteile werden immer kleiner, sodass nach der Mikroelektronik bereits von der Nanoelektronik gesprochen wird. In diesen Dimensionen stösst Silizium, das zurzeit meistverwendete Material in elektronischen Elementen, an seine Grenzen. Neue Materialien sind gefragt.
Wegen seiner aussergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften gilt das zweidimensionale Kohlenstoff-Netzwerk Graphen als möglicher Ersatz. Bevor graphenartige Materialien allerdings hierfür eingesetzt werden können, sind noch einige Hürden zu überwinden. So gibt es bislang noch keine Methoden, mit denen graphenartige Materialien einfach, zuverlässig und in grossem Massstab hergestellt werden können.
Empa-Forschende aus der Abteilung "nanotech@surfaces" setzen auf die Methode der oberflächen-unterstützten Synthese. Anhand eines prototypischen Polyphenylens hat das Forschungsteam nun zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz und der Universität Zürich im Detail aufgedeckt, wie der Reaktionsweg der so genannten Cyclodehydrierung auf einer Kupferoberfläche abläuft und wie sich die Bausteine zu einem planaren Nanographen koppeln.
Beobachtet und simuliert
Für ihre "Aufklärungsarbeit" kombinierten die Forschenden experimentelle Beobachtungen - vor allem am Rastertunnelmikroskop - mit Computersimulationen. Diese berechnen, ob ein theoretisch denkbarer Reaktionsschritt energetisch überhaupt möglich ist. Ergebnis: Der Reaktionsweg verläuft über sechs Schritte mit fünf Zwischenprodukten, wobei die Reaktionsbarrieren zwischen diesen durch die katalytische Aktivität der Oberfläche verringert wird. Zwei Zwischenprodukte werden durch die Oberfläche derart stabilisiert, dass sie mit dem Rastertunnelmikroskop abgebildet werden konnten.
Um mit den gängigen Herstellungsverfahren der Elektronik kompatibel zu sein, eignen sich Metalloberflächen wie Kupfer allerdings nicht. Die graphenartigen Materialien müssen auf Halbleitersubstraten "wachsen". Das Forschungsteam hat mit Simulationen deshalb auch durchgerechnet, ob dies funktionieren könnte, die Resultate weisen darauf hin. Diese Erkenntnisse sind der Schlüssel dazu, die oberflächenunterstützte Synthese als zuverlässige Methode für die Herstellung von graphenartigen Materialien zu etablieren. (red)