Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Fenster ins Innere von Graphen

11.11.2013
Physiker der Universität Jena charakterisieren im renommierten Fachmagazin „Nature Materials“ die elektronischen Eigenschaften eines Zukunftsmaterials

Robuster als Diamant, dichter als Glas, leitfähiger als Kupfer – Wenn Physiker und Materialforscher von Graphen sprechen, kommen sie leicht ins Schwärmen.

Denn das bienenwabenförmige Material aus einer einzelnen Atomlage Kohlenstoff ist für eine Vielzahl potenzieller Anwendungen interessant. „Aufgrund seiner einzigartigen Struktur ist Graphen nicht nur als elektrischer Leiter hervorragend geeignet.

Es kann auch als Beschichtung für Verpackungen und Schutzhüllen, als Lasermedium oder in Detektoren eingesetzt werden“, sagt Prof. Dr. Alexander Szameit von der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Entscheidend für den praktischen Einsatz sei es, die elektronischen Eigenschaften des außergewöhnlichen Materials präzise bestimmen und auch gestalten zu können, so der Juniorprofessor für Diamant-/Kohlenstoffbasierte optische Systeme. Und das galt bislang als äußert knifflig.

Doch den Physikern der Uni Jena um Prof. Szameit und Prof. Dr. Stefan Nolte ist es jetzt mit einem internationalen Team gelungen, das Verhalten von Elektronen in dem Zukunftsmaterial umfassend zu charakterisieren. In der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Nature Materials“ stellen die Forscher experimentelle Daten vor, anhand derer sich die elektronischen Eigenschaften insbesondere in den Randstrukturen des Graphen-Kristalls exakt simulieren lassen (DOI:10.1038/NMAT3783). Die Beschaffenheit der Randbereiche ist dabei entscheidend für die elektronischen Eigenschaften des gesamten Kristalls.

„Wir nutzen für unsere Experimente ein photonisches Modell des Graphen“, sagt Prof. Nolte. Dafür haben die Jenaer Physiker per Laser einige Hundert winzige Lichtleiter in einen Glas-Chip graviert, die wie im Graphen in einem Bienenwabenmuster angeordnet sind und so die einlagige Kristallstruktur simulieren.

„Wird Licht in das Modell eingestrahlt, so verteilen sich die Lichtteilchen, die Photonen, über den gesamten Kristall – so wie die extrem beweglichen Elektronen im echten Graphen für seine enorme elektrische Leitfähigkeit sorgen“, erläutert der Professor für Experimental- und Laserphysik. Dieses Modell sei wie ein Fenster, durch das man ins Innere des faszinierenden Kristalls sehen könne.

Auf diese Weise haben die Forscher der Uni Jena, der San Francisco State University und des Technion – Israel Institute of Technology in Haifa das Verhalten von Photonen in den Randbereichen des Modell-Kristalls untersuchen können. „Aufgrund der sechseckigen Grundstruktur des Graphen-Kristalls können die Ränder unterschiedliche Formen annehmen“, weiß Prof. Szameit. Diese bilden – wie die Fransen um einen Teppich – entweder ein Zickzackmuster, eine „Bart-“ oder „Armlehnenform“.

„Unter bestimmten experimentellen Bedingungen können sich die Elektronen nur entlang dieser Randbereiche und nicht ins Innere des Kristalls bewegen“, so der Jenaer Physiker weiter. Ob jedoch solche sogenannten „Oberflächenzustände“ entstehen, hänge entscheidend von der jeweiligen Form der Randstruktur ab. Die Existenz solcher Zustände ist jedoch ein wichtiges Mittel, um die Leitfähigkeit von Graphen kontrollieren zu können.

In der aktuellen Publikation weisen die Forscher jetzt erstmals überhaupt Oberflächenzustände bei bartförmigen Randstrukturen nach. „Diese sind zwar theoretisch vorhergesagt worden, konnten aber bislang experimentell nicht untersucht werden, weil echtes Graphen mit bartförmigen Rändern zu instabil ist“, so Szameit. Anhand des stabilen photonischen Modells war das aber problemlos möglich. Zudem ist es dem Forscherteam gelungen, einen bislang gänzlich unbekannten Oberflächenzustand nachzuweisen.

„Das bedeutet, dass die bisherige theoretische Beschreibung der Elektronenbewegung entlang der Ränder des Graphen-Kristalls unvollständig war und wir diese Lücke jetzt schließen konnten“, resümiert Szameit. Er ist sicher, dass sich mit den Erkenntnissen, die man aus diesen Experimenten gewinnt, neue Möglichkeiten für graphen-basierte Anwendungen erschließen lassen – und damit dem „Zukunftsmaterial“ Graphen weiter Schub verleiht.

Original-Publikation:
Plotnik Y et al. Observation of Tamm-like edge states in ‘photonic graphene‘, Nature Materials 2013, DOI:10.1038/nmat3783
Kontakt:
Prof. Dr. Alexander Szameit
Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Albert-Einstein-Straße 15, 07745 Jena
Tel.: 03641 / 947985
E-Mail: alexander.szameit[at]uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | Friedrich-Schiller-Universität J
Weitere Informationen:
http://www.uni-jena.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

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: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau