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 Quantenanomalien: Das Universum in einem Kristall
21.07.2017 | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

nachricht Projekt »ADIR«: Laser bergen wertvolle Werkstoffe
21.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu Sprachdialogsystemen und Mensch-Maschine-Kommunikation in Saarbrücken

24.07.2017 | Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Power-to-Liquid: 200 Liter Sprit aus Solarstrom und dem Kohlenstoffdioxid der Umgebungsluft

24.07.2017 | Energie und Elektrotechnik

Innovationsindikator 2017: Deutschland auf Platz vier von 35, bei der Digitalisierung nur Rang 17

24.07.2017 | Studien Analysen

Netzwerke statt Selbstversorgung: Wiesenorchideen überraschen Bayreuther Forscher

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie