Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie lange leben Elektronen in Graphen?

01.12.2011
Wissenschaftler aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben mit internationalen Kollegen einen wichtigen Baustein zum Verständnis des derzeit intensiv erforschten Materials Graphen hinzugefügt: sie haben die Lebensdauer von Elektronen in Graphen in niedrigen Energiebereichen bestimmt. Dies ist für die künftige Entwicklung schneller elektronischer und optoelektronischer Bauteile von großer Bedeutung. Die Ergebnisse sind vor Kurzem in der Onlineausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.237401) erschienen.

Spätestens seitdem die Entdeckung von Graphen im vergangenen Jahr mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet wurde, arbeiten viele Forschergruppen weltweit daran, die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Materials besser zu verstehen und damit zukunftsträchtige elektronische und optoelektronische Anwendungen, wie Transistoren und schnelle Detektoren zur optischen Datenübertragung, zu ermöglichen. Graphen – eine einlagige Kohlenstoffschicht, deren Atome wie in einer Bienenwabe sechseckig angeordnet sind – ist zudem als transparentes Elektrodenmaterial für Flachbildschirme und Solarzellen hochinteressant und könnte laut HZDR-Forscher Dr. Stephan Winnerl auf diesem Einsatzgebiet das knappe Hochtechnologiemetall Indium ersetzen.


Untersuchung von Graphen mit dem Freie-Elektronen-Laser am HZDR. Grafik: HZDR und AlexanderAlUS

Gefördert im Schwerpunktprogramm „Graphen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie mit Mitteln der Europäischen Union ist es Stephan Winnerl und seinen Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Berlin, des Grenoble High Magnetic Field Laboratory und des Georgia Institute of Technology, USA, gelungen, die „Lebensdauer“ von Elektronen in Graphen in niedrigen Energiebereichen zu bestimmen, die bisher nicht erforscht waren.

Das für Festkörper charakteristische Verhalten der Elektronen in bestimmten Energiebereichen ist eine von vielen physikalischen Eigenschaften, in denen sich Graphen fundamental von den meisten anderen Materialien unterscheidet: normalerweise können Elektronen nur bestimmte Energieniveaus annehmen (man spricht von Energiebändern), andere wiederum nicht (sie werden als Energielücken bezeichnet). Dieses Prinzip wird z.B. für optoelektronische Bauteile wie Leuchtdioden genutzt, die Licht ganz bestimmter Wellenlängen abstrahlen: dabei wird Energie frei, die die Elektronen beim ‚Überspringen’ der Energielücken abgeben.

Graphen verhält sich anders als andere Halbleiter: hier berühren sich die Energiebänder, ohne dass eine Lücke auftritt. Statt Licht abzugeben besitzt Graphen die Fähigkeit, Strahlung niedriger Energien unterhalb des sichtbaren Spektrums, wie Terahertz- und Infrarotlicht, zu absorbieren, sodass es sich bestens als Material für Detektoren eignet.

Um neue schnelle elektronische und optoelektronische Bauteile auf Basis von Graphen entwickeln zu können, muss genau bekannt sein, wie lange Elektronen auf bestimmten Energieniveaus verweilen. Zur Untersuchung solcher Prozesse, die sich im Pikosekundenbereich abspielen, also auf einer Zeitskala von einem Millionstel Teil einer Millionstel Sekunde, sind sehr schnelle Beobachtungsmethoden notwendig. Das Besondere der am Dresdner Helmholtz-Zentrum durchgeführten Experimente liegt darin, dass die Forscher Graphenproben erstmals mit längerwelligem Licht als bisher bestrahlt haben. Möglich wurde dies durch die kurzen Strahlungspulse aus dem Freie-Elektronen-Laser (FEL) am HZDR. Dadurch konnten die Forscher die Lebensdauer der Elektronen in der Nähe des Berührungspunktes der Energiebänder, der die physikalische Besonderheit von Graphen ausmacht, untersuchen.

Mithilfe des FEL wurden die Graphenproben mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen im Infrarotbereich angeregt. Die Forscher stellten fest, dass die Energie der Lichtteilchen, mit denen die Elektronen stimuliert werden, und die Schwingungen des Atomgitters die Lebensdauer der Elektronen beeinflussen: wenn die Energie der Lichtteilchen größer ist als die Energie der Gitterschwingungen, ändern die Elektronen schneller ihren Energiezustand und haben eine kürzere Lebensdauer. Umgekehrt verweilen die Elektronen länger auf einem Energieniveau, wenn die Anregungsenergie kleiner ist als die der Gitterschwingungen.

Die experimentell gewonnenen Ergebnisse werden durch Modellrechnungen an der TU Berlin untermauert. Diese erlauben eine klare Zuordnung der experimentellen Daten zu physikalischen Mechanismen in Graphen. Die Forscher tragen somit zu einem besseren Verständnis der elektronischen und optischen Eigenschaften von Graphen bei.

Publikation: „Carrier dynamics in epitaxial graphene close to the Dirac point“, S. Winnerl, M. Orlita, P. Plochocka, P. Kossacki, M. Potemski, T. Winzer, E. Malic, A. Knorr, M. Sprinkle, C. Berger, W. A. de Heer, H. Schneider, M. Helm, Physical Review Letters 107, 237401 (2011), DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.237401

Weitere Informationen
Dr. Stephan Winnerl
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Tel.: 0351 260-3522
s.winnerl@hzdr.de
Pressekontakt
Dr. Christine Bohnet
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Pressesprecherin
Tel.: 0351 260-2450 oder 0160 969 288 56
c.bohnet@hzdr.de | www.hzdr.de
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat das Ziel, langfristig ausgerichtete Spitzenforschung auf gesellschaftlich relevanten Gebieten zu leisten. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
• Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?
• Wie nutzt man Ressourcen und Energie effizient und sicher?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden fünf Großgeräte mit teils einmaligen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das HZDR ist seit 1.1.2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Freiberg, Leipzig und Grenoble und beschäftigt rund 800 Mitarbeiter – davon 380 Wissenschaftler inklusive 120 Doktoranden.

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=35009&pNid=99

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quanten-Boten kommunizieren doppelt so schnell
22.02.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

nachricht Highlight der Halbleiter-Forschung
20.02.2018 | Technische Universität Chemnitz

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: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Im Focus: Developing reliable quantum computers

International research team makes important step on the path to solving certification problems

Quantum computers may one day solve algorithmic problems which even the biggest supercomputers today can’t manage. But how do you test a quantum computer to...

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Event News

2nd International Conference on High Temperature Shape Memory Alloys (HTSMAs)

15.02.2018 | Event News

Aachen DC Grid Summit 2018

13.02.2018 | Event News

How Global Climate Policy Can Learn from the Energy Transition

12.02.2018 | Event News

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von Hefe für Demenzerkrankungen lernen

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Sektorenkopplung: Die Energiesysteme wachsen zusammen

22.02.2018 | Seminare Workshops

Die Entschlüsselung der Struktur des Huntingtin Proteins

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics