Graphensynthese aus einzelnen Molekülen geglückt

Forschern des Max-Planck-Institutes für Polymerforschung (MPI-P) um Xinliang Feng und Klaus Müllen ist es gelungen, Graphenstreifen in bisher unerreichter Größe und mit definierter Struktur in Lösung herzustellen.

Das neuartige Syntheseverfahren wurde im Fachjournal „Nature Chemistry“ http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.1819.html vorgestellt. Bei dieser Herstellungsmethode werden Moleküle auf Kohlenstoffbasis zu Graphenstreifen in gewünschter Form und Größe zusammengesetzt.

Erst dann entfaltet sich das entscheidende Merkmal des Materials: die defektfreien Graphenstreifen zeigen exzellente Halbleitereigenschaften. Damit bringt das Nanomaterial optimale Voraussetzungen für den Einsatz in elektronischen Bauteilen wie etwa Transistoren mit und ist weitaus leistungsfähiger als das derzeit verwendete Silizium.

„Wir haben einen großen Schritt nach vorn gemacht und können nun Graphenstreifen mit einzigartigen Eigenschaften in Lösung herstellen“, erklärt Forschungsgruppenleiter Xinliang Feng.

Um die Erforschung und Herstellung von Graphen ist ein weltweiter wissenschaftlicher Wettbewerb entbrannt. Die Europäische Kommission ist mit Nachdruck daran beteiligt: Das Förderprogramm „Graphene Flagship“ (2013) stellt in den kommenden zehn Jahren Mittel in Höhe von annähernd einer Milliarde Euro für die Nutzbarmachung von Graphen bereit. Wissenschaftler des MPI-P haben bereits wichtige Fortschritte erzielt: Schon seit 2003 verfolgt Klaus Müllen, Direktor am MPI-P, den „Bottom-Up“-Ansatz, Graphenstreifen aus einzelnen Molekülen zu synthetisieren.

Mechanische Verfahren („Top-Down“) oder Kristallwachstum erreichen nicht die nötige Präzision und liefern Ergebnisse mit Defekten. Die Herstellung in Lösung wurde 2011 von Müllens Forschungsgruppe entwickelt und entspricht all diesen Bedürfnissen. Nun ist es durch eine Modifizierung der Methode gelungen, Graphenstreifen mit exakt definierter Fläche und Struktur zu formen.

Gegenüber dem als Wundermaterial gepriesenen Graphen verfügen nur die Streifen aus Graphen über Bandlücken. Erst diese strukturelle Eigenheit erlaubt die Steuerung der Elektronenbewegung und der optischen Merkmale. Die resultierenden Halbleitereigenschaften der Graphenstreifen sind denen von Silizium überlegen. Als dessen Nachfolger in elektronischen Geräten, Batterien oder Solarzellen lassen sie zukünftig eine Vervielfachung der Leistungsfähigkeit solcher Anwendungen erwarten.

Entscheidend dafür wird sein, ob sich ihre Herstellung in industriellem Maßstab realisieren lässt. Mit der Verarbeitung in Lösung markiert das neue Syntheseverfahren auch einen entscheidenden Schritt zur Massenproduktion des zweidimensionalen Materials.

Die im Leitbild des Instituts verankerte transdisziplinäre Zusammenarbeit spielte bei dem neuerlichen Forschungserfolg eine tragende Rolle: Der Durchbruch der Syntheseexperten bestätigte sich erst nach einer Reihe spezifischer Untersuchungen durch andere Forschungsgruppen des MPI-P. Laserspektroskopische Messungen haben gezeigt, dass das in Lösung gewonnene Graphen eine hohe Lichtleitfähigkeit besitzt.

Doktorrand Akimitsu Narita, selbst an der Synthese maßgeblich beteiligt, konnte die Bandlücken durch Ermittlung der UV-Absorption der Graphenstreifen in Lösung nachweisen.

Außerhalb des MPI-P waren weitere Wissenschaftler der FU Berlin, aus den Niederlanden, Großbritannien und Belgien an der Analyse der Materialeigenschaften beteiligt.

Vornehmlich wird das Material weiterhin Objekt der Grundlagenforschung sein, der sich das MPI-P verschrieben hat. Die physikalischen Eigenschaften und ihre Ursachen werden mit mikroskopischen und spektroskopischen Verfahren untersucht, um weitere Verbesserungspotenziale und fundamentale Funktionen aufzudecken.

Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Das 1984 gegründete Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) zählt zu den international führenden Forschungszentren auf dem Gebiet der Polymerwissenschaft. Durch die Fokussierung auf so genannte weiche Materie und makromolekulare Materialien ist das Max-Planck-Institut für Polymerforschung mit seiner Forschungsausrichtung weltweit einzigartig. Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus dem In- und Ausland arbeiten im Rahmen der Grundlagenforschung an der Herstellung und Charakterisierung von Polymeren und der Untersuchung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Anfang 2013 sind insgesamt 551 Personen am MPI-P beschäftigt: Die Belegschaft setzte sich aus 112 Wissenschaftlern, 173 Doktoranden und Diplomanden, 71 Gastwissenschaftlern und 195 technischen und Verwaltungsangestellten sowie Hilfskräften zusammen.
Kontakt
Prof. Dr. Xingliang Feng
Telefon: +49 6131 379-488
E-Mail: feng@mpip-mainz.mpg.de
Research group
Prof. Dr. Klaus Müllen
E-Mail: muellen@mpip-mainz.mpg.de
Publikation
Akimitsu Narita, Xinliang Feng, Yenny Hernandez, Søren A. Jensen, Mischa Bonn, Huafeng Yang, Ivan A. Verzhbitskiy, Cinzia Casiraghi, Michael Ryan Hansen, Amelie H. R. Koch, George Fytas, Oleksandr Ivasenko, Bing Li, Kunal S. Mali, Tatyana Balandina, Sankarapillai Mahesh, Steven De Feyter, and Klaus Müllen

Synthesis of structurally well-defined and liquid-phase-processable graphene nanoribbons

Nature Chemistry (2013), doi:10.1038/nchem.1819