Graphen wächst - und wir können es sehen

28.03.2023 - Niederlande

Graphen ist das stärkste aller Materialien. Darüber hinaus ist es außergewöhnlich gut in der Lage, Wärme und elektrische Ströme zu leiten, was es zu einem der speziellsten und vielseitigsten Materialien macht, die wir kennen. Aus all diesen Gründen wurde die Entdeckung von Graphen im Jahr 2010 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Dennoch sind viele Eigenschaften des Materials und seiner Verwandten noch immer schlecht verstanden - aus dem einfachen Grund, dass die Atome, aus denen es besteht, sehr schwer zu beobachten sind. Ein Team von Forschern der Universität Amsterdam und der New York University hat nun einen überraschenden Weg gefunden, dieses Problem zu lösen.

Zweidimensionale Materialien, die aus einer hauchdünnen Einzelschicht eines Atomkristalls bestehen, haben in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erregt. Diese wohlverdiente Aufmerksamkeit ist vor allem auf ihre ungewöhnlichen Eigenschaften zurückzuführen, die sich stark von denen ihrer dreidimensionalen "Massen"-Pendants unterscheiden. Graphen, der berühmteste Vertreter, und viele andere zweidimensionale Materialien werden heute intensiv im Labor erforscht. Entscheidend für die besonderen Eigenschaften dieser Materialien sind - vielleicht überraschend - Defekte, also Stellen, an denen die Kristallstruktur nicht perfekt ist. Dort ist die geordnete Anordnung der Atomschichten gestört und die Koordination der Atome verändert sich lokal.

Atome sichtbar machen

Obwohl sich Defekte als entscheidend für die Eigenschaften eines Materials erwiesen haben und sie fast immer entweder vorhanden sind oder absichtlich hinzugefügt werden, ist nicht viel darüber bekannt, wie sie entstehen und wie sie sich im Laufe der Zeit entwickeln. Der Grund dafür ist einfach: Atome sind einfach zu klein und bewegen sich zu schnell, um sie direkt zu verfolgen.

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Femtosekunden-Reise durch das Graphen

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Um die Defekte in graphenähnlichen Materialien beobachtbar zu machen, hat das Forscherteam des UvA-Instituts für Physik und der New York University einen Weg gefunden, mikrometergroße Modelle von atomarem Graphen zu bauen. Dazu verwendeten sie so genannte "Patchy Particles". Diese Teilchen - groß genug, um unter dem Mikroskop gut sichtbar zu sein, und doch klein genug, um viele der Eigenschaften echter Atome zu reproduzieren - interagieren mit der gleichen Koordination wie die Atome in Graphen und bilden die gleiche Struktur. Die Forscher bauten ein Modellsystem und nutzten es, um Einblicke in die Defekte, ihre Bildung und ihre Entwicklung im Laufe der Zeit zu gewinnen. Ihre Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Aufbau von Graphen

Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die jeweils drei Nachbarn haben und in der bekannten "Wabenstruktur" angeordnet sind. Diese besondere Struktur verleiht dem Graphen seine einzigartigen mechanischen und elektronischen Eigenschaften. Um die gleiche Struktur in ihrem Modell zu erreichen, verwendeten die Forscher winzige Partikel aus Polystyrol, die mit drei noch winzigeren Flecken aus einem Material namens 3-(Trimethoxysilyl)propyl - kurz TPM - verziert waren. Die Konfiguration der TPM-Flecken ahmte die Koordination der Kohlenstoffatome im Graphen-Gitter nach. Dann machten die Forscher die Patches attraktiv, so dass die Partikel untereinander Bindungen eingehen konnten, wiederum in Analogie zu den Kohlenstoffatomen in Graphen.

Nachdem sie einige Stunden in Ruhe gelassen worden waren, stellte sich bei der Betrachtung unter dem Mikroskop heraus, dass sich die "Scheinkohlenstoff"-Partikel tatsächlich in einem wabenförmigen Gitter anordneten. Anschließend untersuchten die Forscher die Defekte im Modell-Graphen-Gitter genauer. Sie stellten fest, dass das Modell auch in dieser Hinsicht funktionierte: Es zeigte charakteristische Defektmotive, die auch von atomarem Graphen bekannt sind. Im Gegensatz zu echtem Graphen konnten die Physiker durch die direkte Beobachtung und die lange Bildungszeit des Modells diese Defekte nun vom Beginn ihrer Bildung bis zum Einbau in das Gitter verfolgen.

Unerwartete Ergebnisse

Der neue Blick auf das Wachstum von graphenähnlichen Materialien führte sofort zu neuen Erkenntnissen über diese zweidimensionalen Strukturen. Unerwartet fanden die Forscher heraus, dass sich die häufigste Art von Defekten bereits in den allerersten Stadien des Wachstums bildet, wenn das Gitter noch nicht aufgebaut ist. Sie beobachteten auch, wie die Fehlanpassung des Gitters durch einen anderen Defekt "repariert" wird, was zu einer stabilen Defektkonfiguration führt, die entweder bestehen bleibt oder nur sehr langsam zu einem perfekteren Gitter weiter ausheilt.

Das Modellsystem ermöglicht es also nicht nur, das Graphen-Gitter in größerem Maßstab für alle möglichen Anwendungen nachzubauen, sondern die direkten Beobachtungen erlauben auch Einblicke in die atomare Dynamik in dieser Materialklasse. Da Defekte für die Eigenschaften aller atomar dünnen Materialien von zentraler Bedeutung sind, tragen diese direkten Beobachtungen in Modellsystemen dazu bei, die atomaren Gegenstücke weiter zu entwickeln, zum Beispiel für Anwendungen in ultraleichten Materialien und optischen und elektronischen Geräten.

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