Graphen: Leitfähigkeit trotz Gitterfehlern

Forscher machen unregelmäßige Gitterstruktur sichtbar und untersuchen die damit verbundenen Eigenschaften

Korngrenzen in Graphen
Korngrenzen in Graphen

New York (USA) - Ringe aus je sechs Kohlenstoffatomen, dicht zusammengefügt wie Bienenwaben - so wird die zweidimensionale Struktur des Graphens meist dargestellt. Doch in Wirklichkeit bildet das Atomgitter auch Fünfer- und Siebenerringe. Diese Unregelmäßigkeiten beeinträchtigen jedoch nur die Stabilität und nicht die Leitfähigkeit des Materials, wie Forscher der Cornell University im US-Bundesstaat New York herausfanden.

Das Team um David Muller stellte Graphen-Schichten auf Kupfersubstrat her und trennte anschließend einzelne Schichten ab. Mithilfe eines Elektronenmikroskops untersuchten sie dann die so genannte Korngrenzen, indem sie aus dem Abprallwinkel der Elektronen auf die Struktur schlossen. Damit konnten sie die nötigen Informationen über die Gitterfehler sammeln, ohne die Position jedes Atoms zu ermitteln. Die daraus entstandenen Darstellungen zeigen ein überraschend kleinteiliges "Flickwerk".

Weitere Analysen ergaben, dass die Stabilität der Graphen-Schichten durch eine hohe Zahl an Korngrenzen abnimmt. Die elektrische Leitfähigkeit hingegen ist bei größeren Körnern genauso gut wie bei einer stark zersplitterten Struktur, was den Erwartungen vieler Materialwissenschaftler widerspricht. Offenbar können die Ladungen über die Grenzen hinweg ungehindert fließen. Mit ihren Ergebnissen wollen die Forscher dazu beitragen, die Herstellung und Nutzung von Graphen zu verbessern. Vor allem in der Mikroelektronik gilt Graphen als aussichtsreicher Werkstoff zum Beispiel für Computerchips. Trotz Korngrenzen ist es das dünnste und verhältnismäßig stabilste Material, das die Wissenschaft kennt.