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Atomar saubere Oberflächen Reinigung von Graphen – Forscher schwingen den Nanobesen

| Redakteur: Christian Lüttmann

Schmutz findet sich selbst dort, wo man ihn nicht sieht. So können etwa auf Graphen einzelne Moleküle die Oberfläche verunreinigen. Um auf atomarer Skala für saubere Oberflächen zu sorgen, haben Forscher nun eine Reinigungsmethode entwickelt, die Kontaminationen mit einer Art Nanobesen wegfegt.

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Zum Reinigen auf der Nanoskala wird eine feine Metallspitze genutzt.
Zum Reinigen auf der Nanoskala wird eine feine Metallspitze genutzt.
(Bild: CENEM, FAU Erlangen-Nürnberg )

Erlangen – Der Frühling ist für viele ein Zeitpunkt, zu Hause einmal gründlich sauber zu machen. Nach einer großen Putzaktion glänzt der Boden und man kann wieder bei geschlossenem Fenster nach draußen sehen. Doch jeder noch so gründliche Frühjahrsputz hinterlässt nicht ansatzweise so saubere Oberflächen wie eine neu entwickelte Reinigungsmethode von Forschern der Universität Erlangen-Nürnberg.

Der kleinste Besen der Welt

Bei ihrer Methode bewegen die Wissenschaftler eine feine Metallspitze ähnlich einem Besen über die Oberfläche und schieben damit die Kontamination vor der Spitze her. „So wie ein normaler Besen Staub oder Krümel vom Boden entfernt, kann unser kleiner ‚Nanobesen‘ am besten solche Kontaminationen aufnehmen, die schwach an der Oberfläche gebunden sind“, erläutert Prof. Erdmann Spiecker vom Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Mikro- und Nanostrukturforschung). Ist das der Fall, lassen sich atomar saubere Oberflächen erzeugen. „Natürlich wird der Nanobesen nur indirekt mit der Hand bedient, nämlich über einen Joystick, der einen feinen Piezomotor steuert. Außerdem setzen wir modernste Elektronenmikroskope ein, um den Reinigungsprozess direkt beobachten und kontrollieren zu können.“

Wie man Graphen reinigt

Das Forscherteam stellte sich eine besondere Herausforderung als Praxistest: das Reinigen von Graphen, dem dünnsten Material der Welt. Bestehend aus nur einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen zeigt es herausragende Eigenschaften wie Biegsamkeit, optische Transparenz oder elektrische Leitfähigkeit, die bereits in vielfältigen Anwendungen genutzt werden. „Kontamination ist bei Graphen natürlich ein besonderes Problem, da das Material ausschließlich aus Oberfläche besteht,“ sagt Peter Schweizer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung. „Wir mussten das Verfahren außerdem weiterentwickeln, um das Graphen von beiden Seiten, das heißt von oben und unten, reinigen zu können.“

Das ist auch deshalb wichtig, da Elektronenmikroskope in Transmission arbeiten. Nur so lässt sich die atomare Struktur des Materials auflösen. Das Reinigen nur einer Seite wäre daher nicht ausreichend – ähnlich wie bei einem Fenster, durch das man nachher durchgucken möchte.

Graphen ist bekannt für seine extrem hohe mechanische Belastbarkeit. „Trotzdem ist es absolut erstaunlich, dass eine einzige Atomlage die hohen mechanischen Kräfte des Reinigungsprozesses aushält, ohne dabei kaputt zu gehen“, sagt Spiecker. „Als wir das zum ersten Mal unseren Fachkollegen erzählten, wollten sie es fast nicht glauben.“

Moleküle sausen unentdeckt über hochreine Oberfläche

Die Forscher beschäftigten sich aber nicht nur mit der Reinigung der Oberflächen. Durch die Möglichkeit, eine atomar saubere Oberfläche zu erzeugen, konnten sie auch Mechanismen der Rekontamination auf der Nanoskala studieren.

Dass eine einmal gereinigte Oberfläche nicht ewig sauber bleibt, ist auch eine leidige Alltagserfahrung: Nach einiger Zeit setzt sich der Staub wieder und man muss erneut zum Besen greifen. Warum sollte das auf der Nanoskala anders sein, fragten sich die Forscher.

Bei ihren Untersuchungen fanden sie heraus, dass der neue „Dreck“ gar nicht vorwiegend aus der Luft auf die Oberfläche gelangt. Stattdessen zeigte das Forscherteam, dass auf der Nanoskala die Rekontamination durch Oberflächendiffusion wichtiger ist, insbesondere wenn die Oberfläche im Vakuum gehalten wird, was bei vielen wissenschaftlichen Arbeiten der Fall ist. „Wir gehen davon aus, dass Moleküle mit hohen Geschwindigkeiten über die gereinigte Oberfläche sausen. Wir sehen sie aber nicht, da sie zu schnell sind“, erklärt Spiecker. Erst wenn sich die Moleküle zu größeren Agglomeraten zusammenschließen, werden sie unbeweglich und zeigen sich als Rekontamination im Mikroskop – eine Art Nanostaub.

Gezieltes Wachstum auf gesäubertem Graphen

Schließlich nutzte das Team die neuen Erkenntnisse, um auf den frisch gereinigten Graphenoberflächen gezielt atomar dünne Molekülschichten herzustellen. Hierzu werden molekulare Baueinheiten auf der Oberfläche angeboten, sozusagen als künstliche Kontamination. Hochenergetische Elektronen des Elektronenmikroskops helfen dann dabei, die Moleküle zu demobilisieren und die Molekülschicht kontrolliert wachsen zu lassen.

In einem ersten Ansatz nutzten die Forscher Porphyrin-Moleküle, aus denen sie eine Graphen-artige Monolage mit nanokristalliner Struktur herstellten. Damit demonstrierten sie die grundsätzliche Machbarkeit und das Potenzial dieses neuen Ansatzes.

Originalpublikation: Peter Schweizer, Christian Dolle, Daniela Dasler, Gonzalo Abellán, Frank Hauke, Andreas Hirsch & Erdmann Spiecker: Mechanical cleaning of graphene using in situ electron microscopy, Nature Communications volume 11, Article number: 1743 (2020) DOI: 10.1038/s41467-020-15255-3

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