Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Berge und Täler aus Graphen

28.01.2013
Bei komplizierten Oberflächenstrukturen stoßen auch Elektronenmikroskope an ihre Grenzen. Berechnungen der TU Wien gewähren trotzdem verlässliche Einblicke in die Mikrostruktur von Graphen.

Bringt man Graphen auf anderen Materialien auf, können sich sogenannte „Superstrukturen“ bilden – regelmäßige Anordnungen winziger Berge und Täler. Sie sind mit herkömmlicher Elektronenmikroskopie schwer zu untersuchen. Berechnungen der TU Wien erklären, warum Berge manchmal wie Täler aussehen können, und umgekehrt.


Graphen auf Iridium
TU Wien

Graphen schlägt Wellen

Graphen besteht aus einer einzelnen Lage sechseckig angeordneter Kohlenstoff-Atome. Oft bringt man eine Graphen-Schicht auf einem Untergrund aus einem anderen Material auf, um es stabil zu halten. Fixiert man Graphen auf einem Iridium-Untergrund, lässt sich ein interessanter Effekt beobachten: „Die Graphen-Oberfläche bleibt nicht eben, sie formt regelmäßige Berge und Täler“, erklärt Florian Mittendorfer vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien, der diese Oberflächen gemeinsam mit seinem Doktorats-Studenten Andreas Garhofer in umfangreichen Computersimulationen untersuchte.

Die Iridium-Atome ordnen sich in gleichseitigen Dreiecken an, deren 60-Grad-Winkel eigentlich gut zur Bienenwaben-Struktur der Graphen-Schicht passen würden. Allerdings entsprechen die Abstände zwischen den Kohlenstoff-Waben im Graphen nicht genau dem Abstand zwischen den Iridium-Atomen. Wenn eine Kohlenstoff-Wabe genau auf einem Iridium-Atom zu liegen kommt, dann sind die jeweiligen Nachbarn leicht gegeneinander verschoben – erst jede zehnte Kohlenstoff-Wabe befindet sich dann wieder genau auf einem Iridium-Atom. „Dadurch wölbt sich das Graphen und es ergibt sich ein Oberflächen-Muster aus winzigen Bergen und Tälern“, erklärt Florian Mittendorfer.

Berg und Tal verwechselt?

Diese Graphen-Strukturen sind wissenschaftlich sehr interessant – man könnte sie etwa verwenden, um genau in den Tälern Metall aufzudampfen und winzige Cluster herzustellen. Allerdings stellen die Strukturen selbst modernste Mikroskope vor ernste Probleme: „Wählt man einen ungünstigen Abstand zwischen Mikroskop-Spitze und Oberfläche, dann sehen plötzlich die Berge wie Täler aus, und umgekehrt. Bei einem ganz bestimmten Abstand erscheint für das Mikroskop die ganze Oberfläche glatt“, sagt Mittendorfer.

In der Elektronenmikroskopie führt man eine scharfe Spitze in winzigem Abstand über die Oberfläche, die untersucht werden soll. Bei Rastertunnelmikroskopen wird der elektrische Strom gemessen, der entsteht, wenn einzelne Elektronen aus der Oberfläche in die Mikroskop-Spitze überwechseln. Bei Rasterkraftmikroskopen hingegen wird aus der Kraft, die zwischen der Spitze und der Oberfläche wirkt, auf die Struktur der Oberfläche geschlossen.

„Dass man sowohl mit Rastertunnelmikroskopen als auch bei Rasterkraftmikroskopen auf Schwierigkeiten stößt, ist zunächst überraschend. Unsere Rechnungen erklären allerdings, warum das so ist“, sagt Florian Mittendorfer. Ein größerer Abstand zwischen der Graphenlage und der Mikroskopspitze bedeutet nicht automatisch, dass die Kraft zwischen Oberfläche und Spitze geringer wird, der Zusammenhang ergibt sich aus der Anordnung der Atome in der Oberfläche. „Die Krümmung der Graphen-Fläche führt zu einem komplexen Zusammenhang zwischen Abstand und Kraft“, erklärt Mittendorfer.

Materialwissenschaft: Forschungsschwerpunkt der TU Wien

An der Freien Universität Berlin, der Universität Konstanz und bei der Firma SPECS wurden Experimente zu diesen Effekten durchgeführt, die TU-Physiker steuerten mit Kollegen von der Freien Universität Berlin aufwändige Computersimulationen dazu bei. Materialwissenschaft am Computer hat an der TU Wien eine lange Tradition: Gemeinsam mit der Universität Wien wird das „Center for Computational Materials Science“ (CMS) betrieben, das mehrere höchst erfolgreiche Forschungsgruppen miteinander verbindet. Das Softwarepaket VASP zur quantenphysikalischen Berechnung von Materialien wird dort entwickelt, verbessert und auf konkrete wissenschaftliche Fragestellungen angewandt. Computerprogramme aus Wien werden mittlerweile auf der ganzen Welt eingesetzt.

Rückfragehinweis:
Dr. Florian Mittendorfer
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Gusshausstraße 25, 1040 Wien
T: +43-1-58801-15837
florian.mittendorfer@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Klein bestimmt über groß?
29.03.2017 | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

nachricht Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet
29.03.2017 | Technische Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten