Eine neue Anlagerungsmethode verspricht größerflächige Produktion des vielversprechenden Werkstoffs für künftige Computerchips und Sensoren

Graphen-Schicht

Saarbrücken, Nottingham/Großbritannien - Eine große Zukunft sagen Forscher dem Werkstoff Graphen voraus - hauchdünne Schichten, die nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoffmoleküle bestehen, sollen die Elektronik revolutionieren und das Silizium ersetzen. Jetzt haben deutsche und britische Forscher das Grundprinzip entdeckt, nach dem Graphenschichten - auf dem Wege der chemischen Abscheidung - über Zwischenstufen aus zwei Kohlenstoff-Atomen entstehen. Mit dieser Umwandlung aus flüssigen Vorläuferverbindungen lassen sich auch größere Graphenflächen als bisher sowie direkte Beschichtungen gewinnen. Die Forschergruppe des EU-Projektes "NanoMesh" publizierte die Details jetzt im Fachblatt "Small". Die ersten, nur ein Molekül dicken Graphenschichten hatte man 2004 von einem Graphitkristall abgeschabt. Damit lassen aber sich nur winzige Flächen produzieren, die für den vermuteten künftigen Bedarf für schnellere Elektronik nicht ausreichen. Auch andere Forschungsgruppen weltweit suchen deshalb nach Methoden zur Herstellung größerer Graphenschichten. Beinahe zeitgleich hatten italienische Wissenschaftler ebenfalls wegweisende Erkenntnisse zum Anlagerungsprozess publiziert, dabei aber andere Details betrachtet als das deutsch-britische Team.

"Wir konnten zeigen, dass es einen universellen Bildungsweg für Graphen gibt", erklärt Hermann Sachdev, Dozent für Anorganische Chemie an der Universität des Saarlandes. "Er führt immer über die gleichen molekularen Zwischenstufen aus zwei Kohlenstoff-Atomen, unabhängig davon, welche Vorläufermoleküle wir gewählt haben." Mit Kollegen vor Ort sowie Physikern der Universität Augsburg und der britischen University of Nottingham hatte Sachdev verschiedene Vorläuferverbindungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff auf ihr Verhalten getestet. Das Team erhitzte die Substanzen in einer Ultrahochvakuumkammer auf bis zu 700 Grad Celsius. Dabei blieben immer - auch etwa beim Azeton, das drei Kohlenstoffatome mit einem Sauerstoff- und sechs Wasserstoffatomen verknüpft - zwei Kohlenstoff-Atome in Form einer Hantel zurück. Diese Hantelmoleküle lagern sich auf der gebotenen Oberfläche zu einem wabenartigen, idealen Graphen-Gitter an, so die Forscher: "Die Atome in diesem Gitter sind hoch geordnet und es handelt sich um genau eine Schicht - also das, was wir brauchen."

Sachdevs Team kontrollierte den Wachstumsmechanismus des Graphens mithilfe niedrigenergetischer Elektronenbeugung, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Photoelektronenbeugung (XPD) sowie Rastertunnelmikroskopie (RTM). Als Oberfläche für die verschiedenen Ausgangsverbindungen diente ein Mehrlagensubstrat aus Rhodium, yttriumdotierten Zirkoniumdioxid und Silizium 111. Bisheriger Nachteil des Verfahrens: Die Abscheidung des Graphens gelang nur auf metallischen Oberflächen. Dafür dürften die neuen Erkenntnisse aber zu neuen, im Maßstab anpassbaren Methoden führen, um - relativ gesehen - großflächige Graphenschichten im großen Maßstab wachsen zu lassen. Als nächstes arbeiten die Forscher daran, Graphen auf Halbleitern oder gar Isolatoren herzustellen.

Die dünnen Kohlenstoffschichten könnten nicht allzuferner Zukunft das Silizium in elektronischen Schaltkreisen ersetzen. Graphen bleibt auch in winzigsten Transistoren stabil, im Gegensatz zum Silizium, und arbeitet rund tausendmal schneller. Obendrein sind Kohlenstoff-Atome in quasi jeder organischen Substanz enthalten.