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 Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
17.07.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

nachricht Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?
16.07.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

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

Optische Kontrolle von Herzfrequenz oder Insulinsekretion durch lichtschaltbaren Wirkstoff

17.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umweltressourcen nachhaltig nutzen

17.07.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Textilien 4.0: Smarte Kleidung und Wearables als Innovation

17.07.2018 | Innovative Produkte

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