Physiker finden wichtige Eigenschaften von Graphen

Spätestens seit der Verleihung des Physiknobelpreises 2010 steht das neue Material Graphen im Mittelpunkt weltweiter Forschung. Diese ultradünne Kohlenstoffschicht besitzt faszinierende Eigenschaften, so ist sie zum Beispiel mehr als hundert mal zugfester als Stahl was an der starken Bindung der Kohlenstoffatome zueinander liegt.

Forscher der Universität zu Köln haben jetzt herausgefunden, dass die Anbindung des Graphens an bestimmte Metalle erstaunlich schwach ist. „Bei einer weitverbreiteten Herstellungsmethode erzeugt man Graphen direkt auf Metalloberflächen“, sagt Dr. Carsten Busse vom II. Physikalischen Institut. Da Kohlenstoff mit vielen Metallen starke Bindungen eingeht, muss man das Graphen in einem weiteren Schritt vom Metall trennen, um seine besonderen Eigenschaften zum Vorschein zu bringen. Nicht so bei dem in Köln verwendeten Platin-Schwestermetall Iridium, das nur sehr schwach mit Graphen wechselwirkt.

Das ist das zentrale Ergebnis einer Forschungsarbeit, die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen ist. Darin beschreiben die Wissenschaftler der Universität zu Köln, wie sie in Kooperation mit Forschern aus Jülich, Zagreb und Grenoble den Bindungsabstand zwischen Graphen und Metall präzise gemessen haben. Dieser Abstand ist eine entscheidende Größe: Ein großer Abstand signalisiert eine schwache Wechselwirkung, ein kleiner Abstand wird durch eine starke chemische Bindung verursacht, die die speziellen Eigenschaften des Graphens zerstören kann. „Wir konnten diesen Abstand auf ein paar Hundertstel eines Atomdurchmessers genau bestimmen“, sagt Dr. Busse, „und er ist deutlich größer als bei den meisten anderen Metallen.“

Diese Arbeit war recht aufwändig: Die Messungen wurden nicht nur im Kölner Labor der Arbeitsgruppe von Prof. Thomas Michely durchgeführt, sondern zu einem großen Teil auch an der europäischen Großforschungsanlage ESRF im französischen Grenoble. Nur an einem solchen Teilchenbeschleuniger entsteht die für diese Messungen erforderliche starke Röntgenstrahlung, die auch noch eine einstellbare Wellenlänge hat.

Mit komplizierten theoretischen Rechnungen auf dem Hochleistungscomputer JUGENE am Forschungszentrum Jülich haben die Forscher ihre Ergebnisse bestätigt. „Ein einzelner Computer hätte für diese Berechnungen 22 Jahre benötigt“, sagt Dr. Predrag Lazic vom Forschungszentrum Jülich. Gerade die schwache Van-der-Waals Wechselwirkung, die für Graphen auf Iridium die wichtigste Bindungskraft ist, war bisher für theoretische Berechnung nur schwer greifbar. Eine neue Berechnungsmethode für die Wechselwirkung zwischen Atomen gepaart mit hoher Rechenleistung hat hier eine korrekte theoretische Beschreibung der Bindung erstmals möglich gemacht.

Bei Rückfragen: Dr. Carsten Busse
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