Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Graphen schlägt Wellen

19.12.2013
Stress tritt häufig dann auf, wenn man unter Druck gerät, sei es von außen oder innen. Das gilt nicht nur für uns Menschen, sondern auch für Materialien und Werkstoffe.

Ein Material, das unter „Stress“ steht, erfährt mechanische Spannungen: Diese können von außen auf das Material einwirken oder aber im Inneren vorliegen, zum Beispiel an Defekten im Material oder aber, wenn sich ein Teil des Materials ausdehnen möchte, von einem anderen jedoch daran gehindert wird.


Um innere mechanische Spannungen an Kristallbaufehlern, sog. Versetzungen, abzubauen, bildet zweilagiges Graphen Wellen aus. Bild: FAU

Wie sieht es aber mit inneren Spannungen bei einem Material aus, das nur aus zwei Atomlagen besteht? Mit dieser Frage haben sich Wissenschaftler der FAU Erlangen-Nürnberg beschäftigt und das Ergebnis in "Nature"¹ veröffentlicht.

In der Online-Ausgabe der renommierten Wissenschaftszeitschrift Nature berichten sie, wie zweilagiger Kohlenstoff – auch Bilagen-Graphen genannt – in erstaunlicher Weise innere Spannungen abbaut, die an Defekten auftreten. Die Ergebnisse liefern nicht nur grundlegende Einblicke in das Wechselspiel von Defekten und mechanischen Spannungen in Nanomaterialien, sondern könnten auch die Tür zu neuen Wegen öffnen, um die elektronischen Eigenschaften von Bilagen-Graphen und anderen ultradünnen Schichtkristallen gezielt zu verändern.

Das interdisziplinäre Team von Wissenschaftlern aus den Werkstoffwissenschaften, der Physik und der Computer-Chemie haben hierzu detaillierte elektronenmikroskopische Analysen an freistehenden Membranen aus Bilagen-Graphen durchgeführt und diese mit aufwändigen Computersimulationen verglichen.

Eingespannte Graphen-Membran für Untersuchungen im Elektronenmikroskop

Zunächst stellten die Wissenschaftler hochwertiges Bilagen-Graphen bei Temperaturen über 1750 °C auf atomar glatten Oberflächen von Siliziumkarbid-Einkristallen her. Mit einer ausgeklügelten Methode, die in der Arbeitsgruppe von Prof. Heiko Weber, Physiker an der FAU und Koautor der Veröffentlichung, entwickelt wurde, 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 Dr. Benjamin Butz und Prof. Erdmann Spiecker von der Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie, in der die mikroskopischen Analysen durchgeführt wurden.

Bei ihren Untersuchungen nutzten die Wissenschaftler ein hochmodernes aberrationskorrigiertes Transmissionselektronenmikroskop, mit dem sich das Graphen bei reduzierter Elektronenenergie ausgiebig studieren lässt, ohne beschädigt zu werden. Dabei machten die Erlanger Forscher eine erstaunliche Beobachtung: 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 Prof. 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 gerade 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

Lassen sich aber solch starke innere Spannungen, wie sie an den Versetzungen auftreten, in einer nur zwei Atomlagen dünnen Membran aufrechterhalten? – Die Antwort heißt „nein“, wie die Erlanger Wissenschaftler überzeugend belegen konnten. „Weil die Membran so dünn ist, kann sie sich fast beliebig verbiegen, um die inneren Spannungen abzubauen“, erläutert Dr. Butz. Dass dies tatsächlich passiert, belegen Computersimulationen, die in der Arbeitsgruppe von Prof. Bernd Meyer am Computer-Chemie-Centrum durchgeführt und direkt mit den Experimenten verglichen wurden. Im Computer wird die experimentelle Situation um solche Versetzungen nachgestellt. Hierbei wird jedes einzelne Kohlenstoffatom mit seinen Bindungen innerhalb seiner Atomlage, aber auch die wesentlich schwächere Wechselwirkung zwischen den beiden Lagen berücksichtigt. Wird die Gesamtenergie des Systems minimiert — dies entspricht dem Zustand, den ein Material gerne einnimmt, sofern keine äußeren Kräfte wirken —, schlägt die Membran Wellen, an jeder Versetzung eine. „Das erstaunliche ist, dass durch die Bildung von Wellen die Spannungskonzentration an den Versetzungen nahezu komplett abgebaut wird“, sagt Prof. Meyer.

Grundlegende Erkenntnisse zu Kristallversetzungen – Einfluss auf elektronische Eigenschaften

Die Ergebnisse der Erlanger Materialforscher haben weitreichende Folgen für die Forschung an Graphen aber auch an verwandten Materialien, z.B. Bornitrid oder Dichalkogeniden. „Derzeit versucht man, innere Spannungen in Bilagen-Graphen einzubringen, um die elektronischen Eigenschaften des Materials gezielt zu verändern“, erläutert Dr. 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 Erlanger Resultate grundlegende Erkenntnisse zum Verhalten von Versetzungen in Nanomaterialien, einem hochaktuellen Thema in den Material- und Nanowissenschaften. „Bilagen-Graphen ist das dünnste Material überhaupt, in dem solche ausgedehnten Versetzungen eingeschlossen werden können“, weiß Prof. Spiecker. „Es ist somit ein ideales Modellsystem, um die Wechselwirkung von Versetzungen mit freien Oberflächen zu studieren.“

Erfolgreiche Forschung durch interdisziplinäre Zusammenarbeit

Die weitreichenden Forschungsergebnisse konnten nur durch die enge Kooperation der Erlanger Wissenschaftler erzielt werden: Die Herstellung der Membranen in der Physik, die mikroskopischen Analysen und deren materialwissenschaftliche Deutung in den Werkstoffwissenschaften sowie die atomistische Modellierung in der Computer-Chemie. Solche interdisziplinären Zusammenarbeiten haben an der Universität Erlangen-Nürnberg bereits Tradition und werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen von Verbundprojekten stark gefördert, wie hier durch den Sonderforschungsbereich SFB 953 „Synthetische Kohlenstoffallotrope“ und den Exzellenzcluster EXC 315 „Engineering of Advanced Materials“.

¹Dislocations in Bilayer Graphene, B. Butz, C. Dolle, F. Niekiel, K. Weber, D. Waldmann, H. B. Weber, B. Meyer and E. Spiecker, Nature (2013), DOI: 10.1038/nature12780.

Weitere Informationen für die Presse:
Prof. Erdmann Spiecker
Tel. 09131/85-28603
Erdmann.Spiecker@uni-erlangen.de

Blandina Mangelkramer | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-erlangen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Der gestapelte Farbsensor
17.11.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht Gefragtes Werkstoff-Knowhow: Fraunhofer LBF baut Elastomer-Forschung aus
16.11.2017 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte