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Chemisch "maßgeschneidertes" Wundermaterial Graphen #

Erstmals Funktionskontrolle über spektralen Fingerabdruck#

Ausschnitt aus dem Graphen-Netzwerk
Ausschnitt aus dem Graphen-Netzwerk mit chemisch gebundenem Wasserstoffatom: Die spektrale Schwingungssignatur der einzelnen Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen in direkter Nachbarschaft zum gebundenen Wasserstoffatom sind farbig gekennzeichnet
Foto: Frank Hauke, FAU

Graphen gilt als eines der vielversprechendsten neuen Materialien. Das systematische Einbringen von chemisch gebundenen Atomen und Molekülen zur Kontrolle seiner Eigenschaften ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung. Einer Kooperation aus WissenschafterInnen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, der Universität Wien, der Freien Universität Berlin sowie der Universität Yachay Tech in Ecuador ist es nun erstmals gelungen, den spektralen Fingerabdruck solcher Verbindungen experimentell und theoretisch präzise zu verifizieren. Ihre Ergebnisse wurden im renommierten Fachmagazin "Nature Communications" veröffentlicht.

Zweidimensionales Graphen besteht aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen. Es leitet besonders gut Elektrizität sowie Wärme, ist durchsichtig und dabei gleichzeitig biegsam und fest. Außerdem lässt sich zum Beispiel. durch das Einbringen von chemisch gebundenen Atomen und Molekülen in die Graphenstruktur – so genannte Funktionszentren – die elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall und einem Halbleiter kontinuierlich verändern. Durch diese besonderen Eigenschaften bietet Graphen eine Vielzahl an künftigen Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise in der Optoelektronik oder für ultraschnelle Bauelemente in der Halbleiterindustrie. Der Einsatz von Graphen in der Halbleiterindustrie kann nur gelingen, wenn Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Größe und Störung der Struktur durch die Funktionszentren bereits während der Synthese von Graphen erzielt werden können.

In einer internationalen Kooperation ist ForscherInnen um Andreas Hirsch an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in enger Zusammenarbeit mit Thomas Pichler von der Fakultät für Physik der Universität Wien mit einem neu entwickelten Versuchsaufbau ein entscheidender Durchbruch gelungen: Über Lichtstreuung identifizierten sie erstmals Schwingungsspektren als spezifischen Fingerabdruck von stufenweise chemisch modifiziertem Graphen. Diese so gewonnene und theoretisch bestätigte spektrale Signatur ermöglicht es künftig, sowohl die Art als auch die Anzahl der Funktionszentren schnell und präzise zu bestimmen. Unter den verwendeten Reaktionen wurde zum Beispiel Wasserstoff an Graphen chemisch gebunden. Dies gelang über eine kontrollierte chemische Reaktion von Verbindungen, in denen Ionen in den Kohlenstoff Graphit eingelagert sind, mit Wasser.

Zusätzlicher Nutzen#

"Diese Methode der in situ Ramanspektroskopie ist eine sehr effektive Möglichkeit, mit der schon während der Materialherstellung schnell, kontaktfrei und großflächig die Funktion von Graphen kontrolliert werden kann", sagt Julio Chacon, einer der zwei Hauptautoren der Studie. Dadurch wird es möglich, maßgeschneiderte Materialien mit kontrollierten elektrischen Transporteigenschaften zu erhalten und für die Anwendung in der Halbleiterindustrie zu nutzen.

Publikation in "Nature Communications":#

Philipp Vecera, Julio C. Chacon-Torres, Thomas Pichler, Stephanie Reich, Himadri R. Soni, Andreas Görling, Konstantin Edelthalhammer, Herwig Peterlik, Frank Hauke, Andreas Hirsch "Precise determination of graphene functionalization by in-situ Raman spectroscopy". Nature Communication: DOI: 10.1038/ncomms15192 (2017).

Wissenschaftlicher Kontakt#

Univ.-Prof. Mag. Dr. Thomas Pichler
Elektronische Materialeigenschaften Fakultät für Physik
Universität Wien
1090 - Wien, Boltzmanngasse 5
+43-664-60277-514 66
thomas.pichler@univie.ac.at

Rückfragehinweis#

Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
Universität Wien
1010 - Wien, Universitätsring 1
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+43-664-60277-175 33
alexandra.frey@univie.ac.at