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Erstmals Funktionskontrolle über spektralen Fingerabdruck
San José/Berlin/Nürnberg/Wien (universität) - Graphen gilt als eines der vielversprechendsten
neuen Materialien. Das systematische Einbringen von chemisch gebundenen Atomen und Molekülen zur Kontrolle
seiner Eigenschaften ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung. Einer Kooperation aus WissenschafterInnen
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, der Universität Wien, der Freien Universität
Berlin sowie der Universität Yachay Tech in Ecuador ist es nun erstmals gelungen, den spektralen Fingerabdruck
solcher Verbindungen experimentell und theoretisch präzise zu verifizieren. Ihre Ergebnisse wurden im renommierten
Fachmagazin "Nature Communications" veröffentlicht.
Zweidimensionales Graphen besteht aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen. Es leitet besonders gut Elektrizität
sowie Wärme, ist durchsichtig und dabei gleichzeitig biegsam und fest. Außerdem lässt sich zum
Beispiel. durch das Einbringen von chemisch gebundenen Atomen und Molekülen in die Graphenstruktur – so genannte
Funktionszentren – die elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall und einem Halbleiter kontinuierlich
verändern. Durch diese besonderen Eigenschaften bietet Graphen eine Vielzahl an künftigen Anwendungsmöglichkeiten,
wie beispielsweise in der Optoelektronik oder für ultraschnelle Bauelemente in der Halbleiterindustrie. Der
Einsatz von Graphen in der Halbleiterindustrie kann nur gelingen, wenn Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Größe
und Störung der Struktur durch die Funktionszentren bereits während der Synthese von Graphen erzielt
werden können.
In einer internationalen Kooperation ist ForscherInnen um Andreas Hirsch an der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg in enger Zusammenarbeit mit Thomas Pichler von der Fakultät für Physik der Universität
Wien mit einem neu entwickelten Versuchsaufbau ein entscheidender Durchbruch gelungen: Über Lichtstreuung
identifizierten sie erstmals Schwingungsspektren als spezifischen Fingerabdruck von stufenweise chemisch modifiziertem
Graphen. Diese so gewonnene und theoretisch bestätigte spektrale Signatur ermöglicht es künftig,
sowohl die Art als auch die Anzahl der Funktionszentren schnell und präzise zu bestimmen. Unter den verwendeten
Reaktionen wurde zum Beispiel Wasserstoff an Graphen chemisch gebunden. Dies gelang über eine kontrollierte
chemische Reaktion von Verbindungen, in denen Ionen in den Kohlenstoff Graphit eingelagert sind, mit Wasser.
Zusätzlicher Nutzen
"Diese Methode der in situ Ramanspektroskopie ist eine sehr effektive Möglichkeit, mit der schon
während der Materialherstellung schnell, kontaktfrei und großflächig die Funktion von Graphen kontrolliert
werden kann", sagt Julio Chacon, einer der zwei Hauptautoren der Studie. Dadurch wird es möglich, maßgeschneiderte
Materialien mit kontrollierten elektrischen Transporteigenschaften zu erhalten und für die Anwendung in der
Halbleiterindustrie zu nutzen.
Publikation in "Nature Communications": Philipp
Vecera, Julio C. Chacon-Torres, Thomas Pichler, Stephanie Reich, Himadri R. Soni, Andreas Görling, Konstantin
Edelthalhammer, Herwig Peterlik, Frank Hauke, Andreas Hirsch "Precise determination of graphene functionalization
by in-situ Raman spectroscopy". Nature Communication: DOI: 10.1038/ncomms15192 (2017).
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