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Graphen Neuer Reaktionsweg zur Herstellung graphenartiger Materialien aufgeklärt

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Graphen gilt als Kandidat für die künftige Nanoelektronik. Methoden, mit denen sich graphenartige Materialien mit gewünschten elektronischen Eigenschaften herstellen lassen, fehlen jedoch noch. Empa-Forscher haben nun mit einer oberflächenchemischen Methode graphenartige Materialien synthetisiert und den entsprechenden Reaktionsmechanismus im Detail aufgeklärt.

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Zürich/Schweiz – Elektronische Bauteile werden immer kleiner, sodass nach der Mikroelektronik bereits von der Nanoelektronik gesprochen wird. In diesen Dimensionen stößt Silizium, das zurzeit meistverwendete Material in elektronischen Elementen, an seine Grenzen. Neue Materialien sind gefragt. Wegen seiner außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften gilt Graphen, ein zweidimensionales Kohlenstoff-Netzwerk, als möglicher Ersatz. Allerdings gibt es bislang noch keine Methoden, mit denen graphenartige Materialien einfach, zuverlässig und in großem Maßstab hergestellt werden können.

Forscher aus der Abteilung nanotech@surfaces der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) setzen auf die Methode der oberflächen-unterstützten Synthese. Anhand eines prototypischen Polyphenylens hat das Forschungsteam nun zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz und der Universität Zürich im Detail aufgedeckt, wie der Reaktionsweg der so genannten Cyclodehydrierung auf einer Kupferoberfläche abläuft und wie sich die Bausteine zu einem planaren Nanographen koppeln.

Erfolgreiche Kombination von Experiment und Simulation

Für ihre Untersuchungen kombinierten die Forscher experimentelle Beobachtungen – vor allem am Rastertunnelmikroskop – mit Computersimulationen. Diese berechnen, ob ein theoretisch denkbarer Reaktionsschritt energetisch überhaupt möglich ist. Ergebnis: Der Reaktionsweg verläuft über sechs Schritte mit fünf Zwischenprodukten, wobei die Reaktionsbarrieren zwischen diesen durch die katalytische Aktivität der Oberfläche verringert wird. Zwei Zwischenprodukte werden durch die Oberfläche derart stabilisiert, dass sie mit dem Rastertunnelmikroskop abgebildet werden konnten.

Um mit den gängigen Herstellungsverfahren der Elektronik kompatibel zu sein, eignen sich Metalloberflächen wie Kupfer allerdings nicht. Die graphenartigen Materialien müssen auf Halbleitersubstraten „wachsen“. Simulationen der Empa-Wissenschaftler weisen darauf hin, dass dies realisierbar sein könnte. Diese Erkenntnisse sind der Schlüssel dazu, die oberflächenunterstützte Synthese als zuverlässige Methode für die Herstellung von graphenartigen Materialien zu etablieren.

Originalpublikation: Surface-assisted cyclodehydrogenation provides a synthetic route towards easily processable and chemically tailored nanographenes, M. Treier, C.A. Pignedoli, T. Laino, R. Rieger, K. Müllen, D. Passerone, R. Fasel, Nature Chemistry, veröffentlicht online am 7. November 2010; DOI: 10.1038/NCHEM.891

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