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Forscher klären Mechanismus zur Herstellung von Graphen aus Graphit auf

Die linke Seite stellt eine atomare Konfiguration aus den Molekulardynamik-Simulationen dar. Die rechte Seite zeigt eine Aufnahme aus dem Transmissionselektronenmikroskop. (Bild: FAU/Bernd Meyer; Uni Ulm/Ute Kaiser)

Synthese von Graphen verstanden

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Freien Universität Berlin, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Universität Ulm haben gemeinsam die nasschemische Synthese von Graphen aus Graphit entscheidend vorangetrieben und dabei den zugrundeliegenden Mechanismus aufgeklärt. Dabei lösten sie das grundsätzliche Problem, eine einzelne Schicht von Graphen aus einem Graphitkristall herauszulösen. Dem Team um Prof. Dr. Siegfried Eigler von der Freien Universität Berlin gelang es, mithilfe chemischer Funktionalisierung einzelne Kohlenstofflagen von Graphit zu stabilisieren. Der Mechanismus wurde von der Gruppe um Prof. Dr. Bernd Meyer von der FAU mithilfe von Computersimulationen belegt. Dem Team von Prof. Dr. Ute Kaiser an der Universität Ulm gelang es, die Struktur des nasschemisch hergestellten Graphens mit atomarer Auflösung mittels Elektronenstrahlmikroskopie sichtbar zu machen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Das Verständnis zur chemischen Funktionalisierung von Graphen und dessen Synthese ist entscheidend, um Graphen in Zukunft in hoher Qualität verfügbar zu machen. Derzeit werden große Anstrengungen unternommen, um basierend auf Graphen eine neuartige Elektronik jenseits von Silizium zu entwickeln (doi: 10.1038/s41467-018-03211-1).

Bei Graphit handelt es sich um eine Schichtfolge einzelner Graphenlagen, die aus Kohlenstoff bestehen. Die Kohlenstoffatome sind in Graphen in einem Honigwabenmuster angeordnet; sie stellen ein zweidimensionales Material dar, das außergewöhnliche elektronische Eigenschaften zeigt. Physikalische Experimente an Graphen haben im Jahr 2010 zum Nobelpreis für Physik geführt.

Der Entwicklung von Elektronik auf der Grundlage von Graphen steht das Problem entgegen, die hierfür notwendigen großen Mengen an Graphen zu gewinnen, da es beinahe unmöglich ist, Graphen aus Graphit unbeschadet zu isolieren. Es ist zwar bekannt, dass der Abstand der einzelnen Graphenlagen im Graphit erhöht werden kann, jedoch bereitet es nach wie vor Schwierigkeiten, die Graphenlagen unzerstört und in großen Mengen abzulösen und als einzelne Lagen in Lösung zu stabilisieren. Ohne Stabilisation würden sich einzelne Graphenlagen wieder zu Graphit oder undefinierten Kohlenstoffpartikeln zusammenschließen. Dadurch gingen die herausragenden Eigenschaften von Graphen verloren.

Es gelang den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nachzuweisen, dass hochkristalliner Graphit mit wohldefinierter Schichtabfolge besonders geeignet ist, um in eine sogenannte Interkalationsverbindung überführt zu werden, bei der Moleküle und Ionen zwischen den Kohlenstoffschichten eingelagert werden. Dies gelingt besonders leicht, wenn die Graphenlagen zusätzlich partiell elektronisch oxidiert, das heißt positiv aufgeladen werden. Moleküldynamik-Simulationen zeigen, dass die Schichtfolge der Graphenlagen im Graphit zusammen mit deren elektronischer Oxidation die Reibung der Moleküle zwischen den Lagen drastisch vermindert. Umgekehrt bedeutet dies, dass eine hohe Reibung von Molekülen im Schichtmaterial deren Beweglichkeit einschränkt und deshalb Graphit nicht aktiviert werden kann. Die Aktivierung ermöglicht es, Wassermolekülen im folgenden Schritt mit dem aktivierten Graphit zu reagieren. Dadurch werden Alkoholgruppen auf die Oberfläche von Graphen angebunden, wodurch es möglich wird, einzelne Lagen von Graphen abzulösen und in Wasser zu stabilisieren. Dieses abgelöste polare Graphen konnte schließlich auf Oberflächen übertragen und zu ungeladenem Graphen reduziert werden. In der Folge konnte das Team um Prof. Dr. Ute Kaiser von der Universität Ulm am Fachbereich Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie die Struktur des gewonnenen hochqualitativen Graphens mit atomarer Auflösung sichtbar machen.

Die Arbeiten wurden gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs “Synthetic Carbon Allotropes” (SFB 953) und dem Einzelprojekt EI938/3-1. Außerdem wurde das Team von der “Graduate School Molecular Science” (GSMS), dem Fonds der Chemischen Industrie (FCI) und dem EU-Projekt Graphene Flagship finanziell unterstützt.

Originalpublikation: S. Seiler, C. E. Halbig, F. Grote, P. Rietsch, F. Börrnert, U. Kaiser, B. Meyer, S. Eigler: Effect of friction on oxidative graphite intercalation and high-quality graphene formation, Nature Communications 9, 836 (2018).

Artikel auf nature.com

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Siegfried Eigler
Freie Universität Berlin
Tel.: 030/838-61851
siegfried.eigler@fu-berlin.de

Prof. Dr. Bernd Meyer
FAU
Tel.: 09131/85-20403
bernd.meyer@chemie.uni-erlangen.de

Prof. Dr. Ute Kaiser
Universität Ulm
Tel.: 0731/50-22950
ute.kaiser@uni-ulm.de

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