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Halbleiter Graphit verhält sich wie ein Halbleiter

| Redakteur: Olaf Spörkel

Berliner Forscher haben herausgefunden, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter verhält. Dies könnte von Bedeutung für elektronische Bauelemente aus Kohlenstoff sein, die hohe elektrische Spannungen verarbeiten.

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Graphit besteht aus Lagen von Kohlenstoffatomen, die in den Schichten eine regelmäßige Anordnung von Sechsecken bilden. Die chemischen Bindungen innerhalb der Lagen sind rund 50 mal stärker als zwischen den Schichten. Auf ultrakurzen Zeitskalen verhält sich Graphit wie ein Halbleiter.
Graphit besteht aus Lagen von Kohlenstoffatomen, die in den Schichten eine regelmäßige Anordnung von Sechsecken bilden. Die chemischen Bindungen innerhalb der Lagen sind rund 50 mal stärker als zwischen den Schichten. Auf ultrakurzen Zeitskalen verhält sich Graphit wie ein Halbleiter.
( Bild: MBI )

Berlin – Markus Breusing, Claus Ropers und Thomas Elsässer, Wissenschaftler des Max-Born-Instituts in Berlin, haben das Verhalten von Elektronen in dünnen kristallinen Graphitschichten in Echtzeit untersucht. Nach eigenen Angaben zeichneten sie die Bewegungen der Elektronen mit einer bisher unerreichten Zeitauflösung von zehn Femtosekunden auf. Dazu regten sie Elektronen mit ultrakurzen Laserimpulsen in Zustände hoher Energie an und beobachteten ihre Rückkehr zum Gleichgewicht. Einzelne Schritte des Ablaufs lassen sich zeitlich trennen und so die momentane Verteilung der Elektronen auf verschiedene Zustände bestimmen. Innerhalb von 30 Femtosekunden bilden die Elektronen ein heißes Gas mit einer extrem hohen Temperatur von 2500 °C aus, das im Kristall innerhalb von nur 500 Femtosekunden auf etwa 200 °C abkühlt. Die dabei freiwerdende Energie wird an das Kristallgitter übertragen. Danach kehren die Elektronen auf einer deutlich langsameren Zeitskala in ihre ursprünglichen Zustände zurück. Die Untersuchungen zeigen laut Aussage der Forscher erstmals eindeutig, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter und nicht wie ein Metall verhält.

Verwendung von Nanomaterialien aus Kohlenstoff

Nanomaterialien aus Kohlenstoff haben erste Anwendungen in elektronischen Bauelementen und Sensoren gefunden. Grundlage der Materialien sind atomar dünne Schichten aus regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen, zum Beispiel eine einzelne ebene Schicht in Graphen oder aufgerollte Schichten in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Eigenschaften von Elektronen in solchen Strukturen sind verwandt mit denen in Graphitkristallen, die aus einem Stapel vieler Graphenschichten bestehen. Trotz intensiver Forschung ist das grundlegende Verhalten von Elektronen bisher nicht vollständig verstanden und wird kontrovers diskutiert.

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