Struktur von Graphen.

Eigenschaften und Anwendungen von Graphen

Graphen besteht aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen und gilt seit seiner Entdeckung als Wundermaterial. Die einzigartigen Eigenschaften des dünnsten Materials der Welt könnten vielfältig genutzt werden – in Tennisschlägern, Solarzellen und künftig auch in medizinischen Sensoren.

Oben ist die sechseckige Graphenstruktur abgebildet. Drei Pfeile zeigen nach unten. Links sind gestapelte Graphenlagen, das Graphit dargestellt. In der Mitte ist mit Pfeilen dargestellt, wie eine Graphenlage zu einem Nanoröhrchen aufgerollt wird. Rechts wird aus einem Ausschnitt einer Graphenpatte ein Ball zusammengesetzt, ein Fulleren.
Baustein für Kohlenstoffformen

Kohlenstoff ist eines der bekanntesten chemischen Elemente und Bestandteil vieler komplexer Moleküle. In seiner reinen Form können sich die Atome verschieden anordnen und miteinander verbinden. Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die wie Bienenwaben angeordnet sind und nur eine einzige Atomlage dicke Schicht bilden. Diese kann als Baustein für andere Formen dienen: Stapelt man viele dieser Schichten übereinander, ergibt sich Graphit, der auch in Bleistiften zum Einsatz kommt. Aufgerollt entstehen aus Graphen Kohlenstoffnanoröhren, zur Kugel gefaltet ergeben sich sogenannte Fullerene.

Baustein von Graphit

Die Kristallstruktur von Graphit haben Forscher bereits Anfang des 20. Jahrhunderts bestimmt. Da man Graphit vielfältig einsetzte, wollten Wissenschaftler seine Eigenschaften besser verstehen. Bereits in den 1940er-Jahren schlugen sie vor, dass sich Graphit aus einatomigen Lagen von Graphen zusammensetze. „Theoretisch konnte man viele Eigenschaften dieser Lagen bereits vorhersagen. Es war aber sehr schwierig, Graphen experimentell zu isolieren“, sagt Björn Trauzettel, der an der Universität Würzburg im Bereich der theoretischen Festkörperphysik forscht. Die dünnsten produzierten und vermessenen Graphenschichten bestanden daher bis Anfang des 21. Jahrhunderts aus fünfzig bis hundert Lagen.

Links ein Brocken Graphit, rechts ein Halter mit einer Rolle Klebeband und der Aufschrift "André Geim". Vorne links ein Substrat mit kleinen metallischen Quadraten.
Mit Klebeband zum Nobelpreis

2004 stellte eine Gruppe um André Geim und Konstantin Novoselov an der University of Manchester schließlich erstmals einatomige Graphenlagen her. Dabei nutzten sie einen Klebestreifen, der auf Graphitpulver gepresst wurde, um dünne Schichten abzuziehen und diese auf ein Substrat zu übertragen. Für diese Arbeit erhielten Geim und Novoselov den Nobelpreis für Physik 2010.

Nach diesem Meilenstein stieg das Interesse an Graphen schnell an – und in den darauffolgenden Jahren fanden Forscher weitere Wege, um es herzustellen. Methoden, die – wie im Fall der Klebestreifen – von Graphit oder Graphitoxid ausgehen, ergeben meist sehr kleine Graphenflocken. Diese eignen sich vor allem als Zusatzstoff zu anderen Materialien. Größere Graphenlagen können chemisch aus den Flocken zusammengesetzt werden oder auf metallischen Substraten wachsen.

Ladungsträger in Graphen

Ein 3D-Graph mit gewölbt eingezeichneten Strukturen. Diese berühren sich in den Eckpunkten eines Sechsecks.
Energieverteilung

Die vorausgesagten Eigenschaften von Graphen ließen sich nun auch experimentell untersuchen. Wie sich Ladungsträger in einem Festkörper bewegen und verhalten, hängt beispielsweise stark von der Anordnung der Atome ab. In Graphen sitzen die Kohlenstoffatome jeweils auf den Ecken von regelmäßig angeordneten Sechsecken. Dabei wechselwirken die Atome miteinander und ihre elektrischen Felder überlagern sich in einer Art, die Graphen als Material einzigartig macht. „Das Potenzial der Kohlenstoffatome gaukelt den Ladungsträgern vor, sie wären masselos und würden sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen“, sagt Trauzettel. Wie sich solche relativistischen Teilchen verhalten, kann man sonst nur in der Hochenergiephysik untersuchen.

Das Verhalten der Elektronen sorgt auch dafür, dass Graphen Strom über eineinhalbmal besser leitet als Kupfer und so zum Beispiel ein Bauteil von schnell aufladbaren Energiespeichern sein kann. Das Material kann aber nicht nur in der konventionellen Elektronik, sondern auch in der Spintronik zum Einsatz kommen. Während in der Elektronik die Ladung der Elektronen entscheidend ist, nutzt die Spintronik den Spin, also den Eigendrehimpuls, der Teilchen.

Die Bindungen zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen sind sehr stark. Dadurch ist Graphen stabil und gleichzeitig biegsam. Diese Eigenschaft macht man sich bereits zunutze: In einem Tennisschläger optimiert hinzugefügtes Graphen die Gewichtsverteilung innerhalb des möglichst starken und flexiblen Netzes. Die einatomigen Kohlenstofflagen sind zudem sehr leicht und fast transparent.

Graphen als Hoffnungsträger

Für Anwendungen in der Energieerzeugung und –speicherung ist die Kombination dieser Eigenschaften das Spannende: „Man kann sich auch Anwendungen im Bereich der flexiblen Elektronik vorstellen, zum Beispiel ein Display, das man aufrollen kann“, sagt Trauzettel. Dabei wäre eine biegsame, leitfähige und transparente Schicht aus Graphen verbaut.

Graphen-Anwendungen
Bildergalerie: Anwendungen

Bisher sind allerdings noch wenige Produkte mit Graphen auf dem Markt. „Es sind zur Zeit vor allem Anwendungen, die sich die Stärke und Flexibilität des Materials zunutze machen“, sagt Trauzettel. „Die meisten elektronischen Anwendungen sind immer noch im Bereich der Forschung und Entwicklung.“

Inzwischen forschen Wissenschaftler auch an sogenannten „graphen-ähnlichen“ Materialien. „In der Elektronik hat Graphen gerade durch seine besonderen Eigenschaften auch Nachteile. Die Elektronen verhalten sich nicht so, wie in üblichen Halbleitern, sodass man die Techniken nicht einfach übertragen kann“, sagt Trauzettel. Andere dünne Materialien, wie Molybdändisulfid und ein als Phosphoren bezeichneter Stoff, sind in diesem Bereich besser geeignet. „Aber Graphen hat von den neuen Materialien offensichtlich die meisten Superlative zu bieten.“