Atome nutzen Tunnel, um der Graphendecke zu entkommen.

Graphen hat seit seiner ersten Isolierung im Jahr 2004 ein großes Potenzial für praktische Anwendungen. Aber wir nutzen es immer noch nicht in unserer Großtechnologie, weil wir keine Möglichkeit haben, Graphen im industriellen Maßstab herzustellen. Physiker der Universität Leiden haben nun erstmals visualisiert, wie sich Atome zwischen Graphen und einem Substrat verhalten. Diese Erkenntnisse könnten für zukünftige Implementierungen der industriellen Graphenproduktion von entscheidender Bedeutung sein. Ihre Ergebnisse wurden in Physical Review Materials veröffentlicht.

Im Jahr 2004 isolierten Wissenschaftler eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen aus einem Graphitblock. Graphenschichten könnten Hochgeschwindigkeits-Transistoren, preiswerte Elektroautos und empfindliche Sensoren ermöglichen. Vorlauf bis 2018, und Graphen gibt es immer noch wenige große Graphenanwendungen. Das Problem ist, dass die Forscher noch keinen Weg gefunden haben, Graphen in hoher Qualität auf dem richtigen Substrat im industriellen Maßstab herzustellen.

Allerdings haben Wissenschaftler eine Idee für die Großserienproduktion: Erwärmen Sie Siliziumkarbid auf fast 2.000 Grad C, und auf seiner Oberfläche wächst eine Graphenschicht. Allerdings müssen die Forscher sicherstellen, dass die gewünschten Eigenschaften des Graphens nicht durch das Substrat gestört werden. Das Einfügen von Wasserstoffatomen zwischen Graphen und Siliziumkarbid isoliert das Graphen und lässt es als einschichtiges Material intakt. Der Physiker Sense Jan van der Molen und seine Forschungsgruppe an der Universität Leiden haben nun erstmals visualisiert, wie sich diese Atome unter dem Graphen verhalten.

Die Forscher, darunter der Postdoktorand Johannes Jobst und der Doktorand Tobias de Jong, untersuchten mit ihrem niederenergetischen Elektronenmikroskop (LEEM), was mit Wasserstoffatomen passiert, die zwischen Graphen und Siliziumkarbid eingeschlossen sind. Sie entdeckten Linien, an denen die Graphenschicht gespannt ist. Die Wasserstoffatome nutzen die Linien als Tunnel, in denen sie leichter entweichen können, während sie viel länger unter den glatten Bereichen des Graphen zwischen diesen Linien bleiben. „Der umgekehrte Prozess wird in der Forschung häufig eingesetzt, um das Graphen vom Substrat zu entkoppeln“, sagt Jobst. „Aber es war nicht klar, wie sich der Wasserstoff an der Grenzfläche bewegt. Wir konnten zeigen, dass Wasserstoffgas in diese Tunnel eingeblasen werden kann, so dass es sich schnell unter der Graphenschicht in Form einzelner Atome ausbreitet.“

Mehr Informationen:
T. A. de Jong et al. Intrinsische Stapelbereiche in Graphen auf Siliziumkarbid: Ein Weg zur Interkalation, Physical Review Materials (2018). DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.104005

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