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Graphen

Graphen

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Dieser Artikel behandelt den Werkstoff Graphen. Graphen ist auch der Plural von Graph.

Graphen [gʁa'feːn] (englisch graphene) ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom von drei weiteren umgeben ist, so dass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Da Kohlenstoff vierwertig ist, müssen dabei je „Wabe“ drei Doppelbindungen auftreten, die jedoch nicht lokalisiert sind. Es handelt sich also um eine Verkettung von Benzolringen, wie sie in der aromatischen Chemie überall auftreten. Am „Rande“ des Wabengitters müssen andere Atomgruppen angedockt sein, die aber – je nach dessen Größe – die Eigenschaften des Graphens kaum beeinträchtigen.

Modell von Graphen
Beziehung zwischen Graphen und Graphit

In der Theorie wurden einlagige Kohlenstoffschichten, Graphene, zum ersten Mal verwendet, um den Aufbau und die elektronischen Eigenschaften komplexer aus Kohlenstoff bestehender Materialien beschreiben zu können.

In der Praxis wurden strikt zweidimensionale Strukturen allerdings nicht für möglich gehalten, da sie nachweislich thermodynamisch instabil sind.[1][2] Umso erstaunlicher war, dass Konstantin Novoselov, Andre Geim und ihre Mitarbeiter[3] 2004 die Darstellung freier, einschichtiger Graphenkristalle bekannt gaben. Deren unerwartete Stabilität könnte durch die Existenz metastabiler Zustände[4] oder durch Ausbildung einer unregelmäßigen Welligkeit (engl. crumpling) der Graphenschicht [5][6] erklärt werden. 2010 wurden Geim und Novoselov für ihre Untersuchungen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet[6], nachdem sie nicht nur für die Darstellung dieser Systeme Entscheidendes geleistet hatten, sondern auch viele ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften entdeckt hatten.

Gedanklich lässt sich durch Stapeln solcher einlagigen Schichten die dreidimensionale Struktur des Graphits[7] erzeugen, mit dem Graphen also strukturell eng verwandt ist. Stellt man sich die einlagigen Schichten dagegen aufgerollt vor, so erhält man gestreckte Kohlenstoffnanoröhren.[8] Ebenfalls gedanklich kann man einige der Sechserringe durch Fünferringe ersetzen, wodurch sich die ebene Fläche zu einer Kugelfläche wölbt und sich bei bestimmten Zahlenverhältnissen Fullerene ergeben: Ersetzt man zum Beispiel 12 von 32 Ringen, entsteht das kleinste Fulleren (C60).[9] Theoretisch sind auch einlagige Schichten aus anderen vierwertigen Elementen wie Silicium und Germanium möglich. 2012 wurden sogenannte Silicen-Schichten, in Form von einer leicht gewellten einlagigen Schicht aus Silicium, experimentell nachgewiesen.[10]

Geschichte

Im Jahr 1859 beschrieb Benjamin Collins Brodie jr. die lamellare Struktur von thermisch reduziertem Graphitoxid.[11] Dieses wurde 1918 von Volkmar Kohlschütter und P. Haenni intensiv untersucht. Sie berichteten daneben auch über die Herstellung von Graphitoxidpapier.[12] Die ersten Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen (TEM-Aufnahmen) von Graphen mit geringer Lagenzahl wurden 1948 von G. Ruess und F. Vogt veröffentlicht.[13] Zu den Pionieren der Graphenforschung gehört Hanns-Peter Boehm. Er berichtete bereits 1962 über einlagige Kohlenstofffolien[14] und prägte zudem den Begriff Graphen.[15][16]

Im Jahr 2010 erhielten Andre Geim und Konstantin Novoselov für ihre Arbeiten zu Graphen den Nobelpreis für Physik.[17][6]

Struktur

Alle Kohlenstoffatome von Graphen sind sp2-hybridisiert, das heißt, jedes Kohlenstoffatom kann drei gleichwertige σ-Bindungen zu anderen C-Atomen ausbilden. Daraus resultiert eine auch aus den Schichten des Graphits bekannte Waben-Struktur. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungslängen sind alle gleich und betragen 0,142 nm.[18] Die dritten, nicht hybridisierten 2p-Orbitale stehen wie auch im Graphit senkrecht zur Graphenebene und bilden ein delokalisiertes π-Bindungssystem aus.[19]

Graphen besteht zudem aus zwei äquivalenten Untergittern A und B, denen die Kohlenstoffatome zugeordnet sind. Die Untergitter sind um die Bindungslänge ab gegeneinander verschoben. Die zweiatomige Einheitszelle wird durch zwei Gittervektoren $ {\vec {a}}_{1} $ und $ {\vec {a}}_{2} $ aufgespannt. Die Gittervektoren zeigen dabei auf die jeweils übernächsten Nachbarn. Die Länge der Vektoren und damit die Gitterkonstante a lässt sich berechnen zu

$ a=|{\vec {a}}_{1}|=|{\vec {a}}_{2}|={\sqrt {3}}\cdot a_{b}\approx 2{,}46\mathrm {\AA} $.

Graphen kann einerseits als Einkristall, andererseits als riesiges Molekül verstanden werden. Ebenso können kleinere Moleküle, wie z.B. Benzol, Hexabenzocoronen oder Naphthalin als wasserstoffsubstituierte Graphenfragmente gesehen werden.

Herstellung von Graphen

Mechanisch

Einer der ersten Graphentransistoren, die Geim und Novoselov hergestellt haben. Das Graphen wurde dabei mit Klebeband von HOPG abgelöst

Die ersten Graphenflocken wurden von Novoselov[3] durch Abblätterung (Exfoliation) von HOPG (englisch Highly Oriented Pyrolytic Graphite, dt. hochgeordneter pyrolytischer Graphit) gewonnen. Das eingesetzte Verfahren ähnelt dem sogenannten Klebebandtest; dabei wird ein Klebeband auf eine Fläche gedrückt – in diesem Fall auf einen Graphitblock – und anschließend schnell abgezogen, so dass herauslösbare Elemente (hier Graphit) im Klebstoff zurückbleiben. Dieses Klebeband wird dann auf einen mit Fotolack beschichteten Silicium-Wafer gedrückt und nochmals abgezogen. Nach dem Entfernen des Klebebands bleiben dünne Graphitpartikel auf der Oberfläche der Fotolackschicht zurück. Anschließend wird die Fotolackschicht mit Propanon aufgelöst und dann der Wafer mit Wasser und 2-Propanol gespült. Bei Auflösen der Fotolackschicht haften einige Graphitpartikel an der Waferoberfläche, die zusätzlich dünn mit Siliciumdioxid beschichtet sein kann. Auf diese Weise lassen sich lokal dünne Graphitfilme herstellen. Die für Graphenuntersuchungen interessanten Schichten, welche dünner als 50 nm sind, sind optisch fast transparent. Die zusätzliche Schicht verändert die Reflexionseigenschaften des Substrates, so dass sich die durch Interferenzeffekte bedingte violette Farbe der Siliciumdioxidschicht nach Blau verändert. An den Rändern dieser 50-nm-Schichten kann man dann mit dem Rastertunnel- oder Rasterkraftmikroskop nach dünnerem Graphen suchen.

Bei einer anderen Exfoliationsmethode werden vor dem Exfoliationsprozess mit einem Sauerstoffplasma Vertiefungen in das HOPG geätzt, die isolierte Plateaus (Mesas) stehen lassen. Danach wird ein mit Klebstoff benetzter Glasträger auf die Oberfläche gedrückt und abgezogen. Die im Klebstoff haftenden Mesas werden nun ebenfalls so lange mit Klebestreifen abgezogen, bis nur noch ein Rest übrig bleibt. Danach wird der Klebstoff in Propanon aufgelöst und die im Propanon gelösten Graphenflocken mit einem Siliciumwafer herausgefischt und wiederum mit optischem Mikroskop und Rastertunnel- oder Rasterkraftmikroskop abgesucht.

Bei diesen beiden Methoden handelt es sich um sehr zeitaufwendige Verfahren, bei denen man zwar hochwertige, aber nur sehr wenige Proben erhält.

Chemisch

Das meistversprechende Verfahren ist immer noch die Herstellung von Graphen durch Reduktion von Graphenoxid. So berichtete beispielsweise das California Nanosystems Institute (CNSI) im Jahre 2008 über ein „Massenproduktionsverfahren“, das auf der Reduktion von Graphitoxid in flüssigem Hydrazin basiert. Auf diese Weise konnten Graphen-Monolagen der Größe 20 µm × 40 µm erzeugt werden. Daneben wurde auch über den schrittweisen Aufbau aus polyzyklischen Aromaten[20][21] sowie eine chemische Abblätterung[22] aus Graphit durch organische Lösungsmittel berichtet.

Im Grammmaßstab lässt sich Graphen auch in einer zweistufigen Reaktion herstellen. Dabei werden im ersten Schritt in einer Solvothermalsynthese Natrium und Ethanol miteinander umgesetzt. Unter mehrstündigem Erhitzen unter hohem Druck entsteht dabei ein komplexes Gemisch mit Natriumethoxid als Hauptbestandteil. Im zweiten Schritt wird das Reaktionsgemisch unter Luftausschluss stark erhitzt (Pyrolyse), wobei man nach einer abschließenden Ultraschallbehandlung unter anderem Graphen isolieren kann.[23]

Epitaktisches Wachstum

Graphen kann epitaktisch auf metallischen Substraten wachsen. Eine in der Literatur vorgestellte Methode ist die Zersetzung von Ethen auf Iridium.[24] In einem weiteren Verfahren wird die Löslichkeit von Kohlenstoff in Übergangsmetallen verwendet.[25] Beim Erhitzen löst sich der Kohlenstoff im Metall, tritt beim Abkühlen wieder heraus und ordnet sich als Graphen auf der Oberfläche an.

Eine weitere Möglichkeit der Darstellung einzelner Graphenlagen ist die thermische Zersetzung hexagonaler Siliciumcarbid-Oberflächen. Bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium verdampft das Silicium aufgrund seines (im Vergleich zu Kohlenstoff) höheren Dampfdrucks. Auf der Oberfläche bilden sich dann dünne Schichten einkristallinen Graphits, die aus wenigen Graphenmonolagen bestehen. Dieses Verfahren ist geeignet für Anlassprozesse im Vakuum[26][27] und in einer Inertgasatmosphäre aus Argon.[28] Die Dicke und Struktur des epitaktisch gewachsenen Graphens hängt dabei empfindlich von den eingestellten Prozessparametern ab, insbesondere von der Wahl der Atmosphäre und der Struktur der Substratoberfläche sowie der Polarisation der Siliciumcarbid-Oberfläche.

Große Flächen aus Graphen stellt man dadurch her, dass man eine monoatomare Schicht aus Kohlenstoff auf eine Folie aus inertem Trägermaterial, wie zum Beispiel Kupfer, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufbringt und dann das Trägermaterial auflöst.[29]

Eigenschaften

Eigenschaften von Graphen
Eigenschaft Wert
Flächenmasse 7,57 × 10−7 kg·m−2[30]
E-Modul ca. 1020 GPa[31]
Zugfestigkeit 1,25 × 1011 Pa[31]
Schwächung von sichtbarem Licht 2,3 %[32]
Schichtdicke 3,35 × 10−10 m[30]

Graphen hat ungewöhnliche Eigenschaften, die es sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen interessant machen, und zwar vor allem in der Physik.

Beispielsweise sind Graphen-Flächeneinkristalle innerhalb der Flächen außerordentlich steif und fest. Der Elastizitätsmodul entspricht mit ca. 1020 GPa dem von normalem Graphit entlang der Basalebenen und ist fast so groß wie der des Diamants. Seine Zugfestigkeit von 1,25×1011 Pa ist die höchste, die je ermittelt wurde, und rund 125-mal höher als bei Stahl.[31] Ein Band aus Graphen von 1 m Breite und 3,35 × 10−10 m Dicke, also von einer Atomlage, hat daher eine Zugfestigkeit von 42 N. Ein Band für einen Weltraumlift aus Graphen mit konstanter Querschnittsfläche würde in der Höhe der geostationären Umlaufbahn von 35.786 km erst zu 87,3 % seiner Reißfestigkeit belastet werden.

Ausgehend von monokristallinem Graphit mit einer Dichte von 2260 kg·m−3 und einem Schichtabstand von 3,35 × 10−10 m, errechnet sich durch Multiplikation für Graphen eine Flächenmasse von 7,57 × 10−7 kg·m−2.[30] Ein Quadratkilometer wiegt somit 757 g.

Graphen besitzt keine natürliche Bandlücke, wie bei Halbleitern üblich. Eine künstliche Bandlücke im Graphen kann jedoch erzeugt werden, indem man Graphen in ein maximal 10 nm breites Gate „schneidet“.[33][34][35][36]

Messungen haben ergeben, dass eine einzelne Graphenschicht das Licht um πα [37][38] ≈ 2,3 % abschwächt (mit der Feinstrukturkonstante α), und zwar über das gesamte sichtbare Spektrum.[32]

Pseudo-relativistisches Verhalten

Energie der Elektronen in Graphen entsprechend ihrer Wellenzahl $ \mathbf {k} \,=(k_{x},k_{y})\,, $ in Tight-Binding-Näherung. Die „besetzten“ bzw. „unbesetzten“ Zustände („gelb-grün“ bzw. „blau-rot“) berühren einander ohne Lücke genau an den im Text erwähnten sechs k-Werten.

Die elektrischen Eigenschaften von Graphen lassen sich gut durch ein Tight-Binding-Modell beschreiben. Im Rahmen dieses Modells ergibt sich die Energie der Elektronen mit Wellenzahl $ \mathbf {k} $ (siehe Wellenvektor) zu

$ E=\pm {\sqrt {\gamma _{0}^{2}\left(1+4\cos ^{2}{\pi k_{y}a}+4\cos {\pi k_{y}a}\cdot \cos {\pi k_{x}{\sqrt {3}}a}\right)}} $,[7]

mit der Nächsten-Nachbar-Hopping-Energie $ \gamma _{0}\approx 2{,}8\ \mathrm {eV} $ und der Gitterkonstante $ a\approx 2{,}46\ \mathrm {\AA} $[39]. Leitungs- und Valenzband entsprechen Plus- bzw. Minus-Vorzeichen in der obigen Dispersionsrelation. Sie berühren einander in Graphen genau in sechs ausgezeichneten Punkten, den sogenannten K-Punkten, von denen jedoch nur zwei voneinander unabhängig sind (die übrigen sind durch die Gittersymmetrie zu diesen beiden äquivalent). In ihrer Umgebung hängt die Energie wie bei einem relativistischen Teilchen linear von $ \mathbf {k} $ ab. Da die Basis zweiatomig ist, hat die Wellenfunktion sogar eine formale Spinorstruktur. Das führt dazu, dass die Elektronen bei niedrigen Energien durch eine Relation beschrieben werden können, die äquivalent zur Dirac-Gleichung ist, und das zusätzlich im sogenannten chiralen Limes, d. h. für verschwindende Ruhemasse $ M_{0} $, was einige Besonderheiten ergibt:

$ v_{F}\,{\vec {\sigma }}\cdot {\vec {\nabla }}\psi (\mathbf {r} )=E\psi (\mathbf {r} ) $

Hier bezeichnet $ v_{F}\approx 10^{6}\ \mathrm {m/s} $ die Fermi-Geschwindigkeit in Graphen, die an die Stelle der Lichtgeschwindigkeit tritt; $ {\vec {\sigma }} $ bezeichnet die Pauli-Matrizen, $ \psi (\mathbf {r} ) $ die zweikomponentige Wellenfunktion der Elektronen und $ E $ ihre Energie.[40]

Ungewöhnlicher Quanten-Hall-Effekt

Wegen der Besonderheiten in der Dispersion ist in diesem Material die Treppenstruktur der ganzzahligen Quanten-Hall-Plateaus, $ \sigma _{xy}\propto n $, für alle Stufen genau „um 1/2 verschoben“, $ n\to n+{\tfrac {1}{2}}\,,\,n\in \mathbb {N+} . $[41] Die Zwei-Valley-Struktur (formaler „Pseudospin“) und die „echte“ Spin-Entartung ergeben zusammen einen zusätzlichen Faktor 4. Bemerkenswerterweise kann man dies – im Gegensatz zum konventionellen Quanten-Hall-Effekt – auch bei Zimmertemperatur beobachten.[42]

Steifigkeit und Temperaturabhängigkeit

Graphen ist in Schichtrichtung extrem steif,[31] weil die sp2-Bindung zwischen benachbarten Atomen von der Stärke her mit der sp3-Bindung von Diamant vergleichbar ist. Dementsprechend erwartet man generell – und das entspricht dem Experiment[40][41] –, dass die für die Anwendung interessanten Eigenschaften von Graphen nicht nur am absoluten Temperaturnullpunkt gelten, d. h. bei −273,15 °C, sondern bei Zimmertemperatur gültig bleiben.

Eine solche Eigenschaft ist die Thermoelektrizität: Ein Temperaturgradient in Graphen-Ebenen verursacht eine elektrische Feldstärke aufgrund einer Entkopplung der Temperatur der Elektronen von der des Gitters. Elektrische Spannung bei Beleuchtung von Graphen war schon früher beobachtet worden, aber als Ursache wurde die Photovoltaik vermutet. Dass die Entkopplung noch bei Zimmertemperatur beobachtet werden kann, liegt an der Steifigkeit des Gitters: Die elementaren Schwingungsanregungen des Gitters (Phononen) sind so hochenergetisch, dass die Elektronen selten ein solches Phonon erzeugen.[43]

Elastisches Verhalten und Pseudo-Magnetfeld

Im Juli 2010 wurde in einer Veröffentlichung in der amerikanischen Wissenschaftszeitschrift Science von extrem starken Pseudo-Magnetfeldern berichtet.[44] Durch elastische Verformung wurden in Graphen winzige dreieckige Bläschen von 4 bis 10 Nanometer Größe erzeugt, in denen sich die Elektronen so bewegten, als würde ein etwa 300 Tesla starkes Magnetfeld auf sie einwirken. Es zeigte sich, dass der beobachtete Effekt, im Gegensatz zur Auswirkung eines echten Magnetfeldes, den eigentlichen Spin des Elektrons nicht beeinflusst, sondern dass stattdessen der gerade erwähnte Pseudo-Spin beeinflusst wird, der mit der Existenz zweier verschiedener äquivalenter Basis-Atome in der Bienenwaben-Struktur zusammenhängt.[45] Dieser Pseudospin hat eine ähnliche Wechselwirkung mit dem Pseudo-Magnetfeld wie echte Spins mit echten Magnetfeldern, weil auch diese „Zwei-Niveau-Systeme“ generieren. Die Experimente um den so erzeugten „Pseudo-Quanten-Hall-Effekt“ basierten auf theoretischen Vorhersagen, die damit bestätigt wurden.

Spinströme

Im April 2011 haben A. Geim und Mitarbeiter einen Artikel[46] veröffentlicht, in dem sie starke Spinströme und strominduzierten Magnetismus in der Nähe des Dirac-Punktes beschreiben, d. h. in der Nähe des Treffpunktes von Leitungsband und Valenzband. Das eröffnet die Aussicht auf Anwendungen in der Spintronik. [47]

Verallgemeinerungen

Verallgemeinerungen sind naheliegend. Einige durch Faltung oder Rollprozesse entstehende Strukturen, wie z. B. die sog. carbon nanotubes (engl.; dt. ‚Nanoröhrchen aus Kohlenstoff‘ oder ‚Kohlenstoffnanoröhren‘) und die Fullerene, wurden bereits erwähnt. Aber näherliegend ist es, zunächst Zweilagensysteme aus Graphen zu untersuchen. Diese haben interessante zusätzliche Eigenschaften: Sie zeigen halbleitendes Verhalten analog zu Silicium, aber mit einer Bandlücke, die durch elektrische Felder systematisch verändert werden kann.[48]

Graphan

Mit Hilfe von atomarem Wasserstoff, der durch eine elektrische Entladung in einem Wasserstoff-Argon-Gemisch erzeugt wird, lässt sich Graphen in Graphan umwandeln. In Graphan ist jedem Kohlenstoffatom ein Wasserstoffatom zugeordnet und die Bindungsstruktur ähnelt dem sesselförmigen Cyclohexan. Graphan zerfällt oberhalb von 450 °C in Graphen und Wasserstoff. Graphan ist im Gegensatz zum Graphen ein elektrischer Isolator.[49]

Grundlagenforschung und mögliche Anwendung

Wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Graphen wird derzeit an der Frage geforscht, ob Graphen Silicium als Transistormaterial ablösen könnte. Erste Erfolge wie die Darstellung eines Graphit-Microchips konnten bereits verbucht werden. Mit graphenbasierten Transistoren sollten Taktraten im Bereich von 500 bis 1000 GHz möglich sein, während mit siliciumbasierten Taktraten von 5 GHz kaum zu überschreiten sind.[50] IBM gelang es Anfang 2010, erstmals einen 100-GHz-Transistor auf Graphenbasis herzustellen.[51] Nach Untersuchungen von Yanqing Wu und Mitarbeitern vom April 2011[52] scheint Kohlenstoff mit Diamantstruktur geeignete Substrate zu ergeben.

In der Grundlagenforschung dient Graphen als Modellsubstanz für zweidimensionale Kristalle: Es ist schwierig, das System in Form von Einzelschichten zu erhalten; erst im Jahre 2004 konnten die ersten kontaktierbaren „Graphen-Flocken“ erhalten werden.

  • Eventueller Einsatz in Superkondensatoren und Akkus [53]
  • Als Graphenoxid ist es gasdicht und gleichzeitig permeabel für H₂O-Moleküle. Dadurch ist ein Einsatz als Wasserfilter, Destillator und Dichtmittel vor allem als hermetische Versiegelung (sogar dicht für Helium) geeignet.[54]

Die Europäische Kommission hat 2013 im Rahmen der European Flagship Initiative beschlossen, die Erforschung von Graphen mit 1 Milliarde Euro zu fördern.[55]

Literatur

Weblinks

Commons: Graphen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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Wiktionary Wiktionary: Graphen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise und Fußnoten

  1. ↑ L. D. Landau: Zur Theorie der Phasenumwandlungen II. In: Phys. Z. Sowjetunion. 11, 1937, S. 11.
  2. ↑ R. E. Peierls: Quelques propriétés typiques des corpses solides. In: Ann. I. H. Poincaré. 5, 1935, S. 177-222.
  3. ↑ 3,0 3,1 K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos,I. V. Grigorieva, A. A. Firsov: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. In: Science. 306, Nr. 5696, 2004, S. 666–669, doi:10.1126/science.1102896.
  4. ↑ N. D. Mermin: Crystalline Order in Two Dimensions. In: Physical Review. 176, Nr. 1, 1968, S. 250 ff, doi:10.1103/PhysRev.176.250.
  5. ↑ J. C. Meyer, A. K. Geim, M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, T. J. Booth, S. Roth: The structure of suspended graphene sheets. In: Nature. 446, 2007, S. 60–63, doi:10.1038/nature05545.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Siehe z. B. Titelbild und S. 22 der Zeitschrift „Physik Journal“ 12 /Dez. 2010, Online.
  7. ↑ 7,0 7,1 P. R. Wallace: The Band Theory of Graphite. In: Physical Review. 71, Nr. 9, 1947, S. 622–634, doi:10.1103/PhysRev.71.622.
  8. ↑ Sumio Iijima: Helical microtubules of graphitic carbon. In: Nature. 354, 1991, S. 56–58, doi:10.1038/354056a0.\,,
  9. ↑ Mitsutaka Fujita, Riichiro Saito, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus: Formation of general fullerenes by their projection on a honeycomb lattice. In: Physical Review B. 45, Nr. 23, 1992, S. 13834–13836, doi:10.1103/PhysRevB.45.13834.
  10. ↑ Patrick Vogt u. a.: Silicene: Compelling Experimental Evidence for Graphenelike Two-Dimensional Silicon. In: Physical Review Letters. 108, Nr. 15, 2012, S. 155501, doi:10.1103/PhysRevLett.108.155501.
  11. ↑ Benjamin C. Brodie: On the Atomic Weight of Graphite. In: Proceedings of the Royal Society of London. 10, 1859, S. 249 (http://www.jstor.org/pss/108699).
  12. ↑ V. Kohlschütter, P. Haenni: Zur Kenntnis des Graphitischen Kohlenstoffs und der Graphitsäure. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 105, Nr. 1, 1918, S. 121–144, doi:10.1002/zaac.19191050109.
  13. ↑ G. Ruess und F. Vogt: Höchstlamellarer Kohlenstoff aus Graphitoxyhydroxyd.. In: Monatshefte für Chemie. 78, Nr. 3-4, 1948, S. 222–242.
  14. ↑ H. P. Boehm, A. Clauss, G. O. Fischer, U. Hofmann: Das Adsorptionsverhalten sehr dünner Kohlenstoffolien. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 316, Nr. 3-4, 1962, S. 119–127, doi:10.1002/zaac.19623160303.
  15. ↑ H. P. Boehm, R. Setton, E. Stumpp: Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds. In: Pure and Applied Chemistry. 66, Nr. 9, 1994, S. 1893–1901.
  16. ↑ H. C. Schniepp, J.-L. Li, M. J. McAllister, H. Sai, M. Herrera-Alonso, D. H. Adamson, R. K. Prud’homme, R. Car, D. A. Saville, I. A. Aksay: Functionalized Single Graphene Sheets Derived from Splitting Graphite Oxide. In: The Journal of Physical Chemistry B. 110, 2006, S. 8535–8539, doi:10.1021/jp060936f.
  17. ↑ Manfred Lindinger: Nobelpreis für Physik 2010. Die Bremsspur des Bleistifts. FAZ.net, 5. Oktober 2010, abgerufen am 5. Oktober 2010. (Leider hat die Zeitung die Fotos vertauscht: Der Herr im schwarzen Pullover ist K. Novoselov und nicht A. Geim)
  18. ↑ W. A. Harrison: Electronic structure and the properties of solids: the physics of the chemical bond. W.H. Freeman and Company, San Francisco 1980, ISBN 0-7167-1000-5.
  19. ↑ Zu den π-Zuständen siehe z. B. C.E. Mortimer: Chemie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2007, ISBN 978-3-13-484309-5.
  20. ↑ J. Wu, W. Pisula, K. Müllen: Graphenes as Potential Material for Electronics. In: Chemical Reviews. 107, Nr. 3, 2007, ISSN 0009-2665, S. 718–747, doi:10.1021/cr068010r.
  21. ↑ L. Zhi, K. Müllen: A bottom-up approach from molecular nanographenes to unconventional carbon materials. In: J. Mater. Chem.. 18, Nr. 18, 2008, S. 1472–1484, doi:10.1039/b717585j.
  22. ↑ Y. Hernandez, V. Nicolosi, M. Lotya, F. Blighe, Z. Sun, S. De, I. T. McGovern, B. Holland, M. Byrne, Y. Gunko, J. Boland, P. Niraj, G. Duesberg, S. Krishnamurti, R. Goodhue, J. Hutchison, V. Scardaci, A. C. Ferrari, J.N. Coleman: High yield production of graphene by liquid phase exfoliation of graphite. In: arXiv. 2008, arXiv:0805.2850.
  23. ↑ Mohammad Choucair, Pall Thordarson, John A. Stride: Gram-scale production of graphene based on solvothermal synthesis and sonication. In: Nature Nanotechnology. 04, 2009, S. 30–33, doi:10.1038/NNANO.2008.365.
  24. ↑ A. T. N'Diaye, S. Bleikamp, P. J. Feibelman, T. Michely: Two-Dimensional Ir Cluster Lattice on a Graphene Moiré on Ir(111). In: Physical Review Letters. 97, Nr. 21, 2006, S. 718–747, doi:10.1103/PhysRevLett.97.215501.
  25. ↑ P.W. Sutter, J.-I. Flege, E. A. Sutter,: Epitaxial graphene on ruthenium. In: Nature Materials. 97, Nr. 5, 2008, S. 406–411, doi:10.1038/nmat2166.
  26. ↑ I. Forbeaux, J.-M. Themlin, J.-M. Debever: Heteroepitaxial graphite on 6H-SiC (0001): Interface formation through conduction-band electronic structure, overview surface reconstructions LEED, KRIPES, dispersion relation, XPS, UPS, SXPS. In: Physical Review B. Nr. 24, 1998, S. 16396–16406, doi:10.1103/PhysRevB.58.16396.
  27. ↑ A. Charrier, A. Coati, T. Argunova, F. Thibaudau, Y. Garreau, R. Pinchaux, I. Forbeaux, J.-M. Debever, M. Sauvage-Simkin, J.-M. Themlin: Solid-state decomposition of silicon carbide for growing ultra-thin heteroepitaxial graphite films. In: Journal of Applied Physics. 92, Nr. 5, 2002, S. 2479–2480, doi:10.1063/1.1498962.
  28. ↑ K. V. Emtsev, A. Bostwick, K. Horn, J. Jobst, G. L. Kellogg, L. Ley, J. L. McChesney, T. Ohta, S. A. Reshanov, E. Rotenberg, A. K. Schmid, D. Waldmann, H. B. Weber, Th. Seyller: Atmospheric pressure graphitization of SiC(0001)- A route towards wafer-size graphene layers. In: arXiv – Condensed Matter, Materials Science. 2008, arXiv:0808.1222.
  29. ↑ Sukang Bae, Hyeongkeun Kim, Youngbin Lee, Xiangfan Xu, Jae-Sung Park, Yi Zheng, Jayakumar Balakrishnan, Tian Lei, Hye Ri Kim, Young Il Song, Young-Jin Kim, Kwang S. Kim, Barbaros Ozyilmaz, Jong-Hyun Ahn, Byung Hee Hong, Sumio Iijima: Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes. In: Nat Nano. 5, Nr. 8, 2010, S. 574–578, doi:10.1038/nnano.2010.132 (PDF, abgerufen am 5. Oktober 2010).
  30. ↑ 30,0 30,1 30,2 Harry Marsh, Francisco Rodríguez-Reinoso: Science of Carbon Materials. 2000. Zitiert in: Christian Anton Rottmair: Einfluss der thermischen Prozessführung auf die Eigenschaften von Graphitformteilen, hergestellt durch Pulverspritzguss von Mesophasen-Kohlenstoff. 2007, S. 10–11 (Dissertationsarbeit, Universität Erlangen-Nürnberg, 2007, PDF).
  31. ↑ 31,0 31,1 31,2 31,3 Changgu Lee, Xiaoding Wei, Jeffrey W. Kysar, James Hone: Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. In: Science. 321, Nr. 5887, 2008, S. 385–388, doi:10.1126/science.1157996.
  32. ↑ 32,0 32,1 Rainer Scharf: Sichtbare Feinstrukturkonstante. In: Pro Physik. 4. April 2008, abgerufen am 24. Februar 2011.
  33. ↑ Nico Ernst: Briten entwickeln Ein-Elektron-Transistor aus Graphen: Zweidimensionaler Kohlenstoff als neuer Halbleiter. In: www.golem.de. 6. März 2007, abgerufen am 6. März 2007.
  34. ↑ Kevin Bullis, Wolfgang Stieler: Magischer Halbleiter-Stoff. In: Technology Review. 4, 2008 (Online, abgerufen am 28. März 2008).
  35. ↑ Zhihong Chen, Yu-Ming Lin, Michael J. Rooks, Phaedon Avouris: Graphene nano-ribbon electronics. In: Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 40, Nr. 2, 2007, S. 228–232, doi:10.1016/j.physe.2007.06.020.
  36. ↑ Mike Rodewalt: Researchers discover method for mass production of nanomaterial graphene. In: UCLA Newsroom. 10. Nov. 2008, abgerufen am 16. Nov. 2008.
  37. ↑ : Universal infrared conductance of graphite. In: Phys Rev Lett. 100, Nr. 11, 2008. Bibcode: 2008PhRvL.100k7401K. doi:10.1103/PhysRevLett.100.117401. PMID 18517825.
  38. ↑ R. R. Nair u. a.: Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. In: Science. 320, Nr. 5881, 2008, S. 1308–1308, doi:10.1126/science.1156965 (PDF).
  39. ↑ B. Trauzettel,: Von Graphit zu Graphen. In: Physik Journal. 2007.
  40. ↑ 40,0 40,1 A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R Peres, K. S. Novoselov, A. K. Geim: The electronic properties of graphene. In: Arxiv preprint. 2007, arXiv:0709.1163v2. (Vollständig für jedermann am Bildschirm einsehbar).
  41. ↑ 41,0 41,1 A. K. Geim, K. S. Novoselov: The rise of graphene. In: Nature Materials. Nr. 6, 2007, S. 183–191, doi:10.1038/nmat1849.
  42. ↑ K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, A. A. Firsov: Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. In: Nature. 438, Nr. 7065, 2005, S. 197–200, arXiv:cond-mat/0509330v1, doi:10.1038/nature04233.
  43. ↑ Nathaniel M. Gabor, Justin C. W. Song, Qiong Ma, Nityan L. Nair, Thiti Taychatanapat, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Leonid S. Levitov, Pablo Jarillo-Herrero: Hot Carrier–Assisted Intrinsic Photoresponse in Graphene. In: Science. Nr. 6056, 2011, S. 648-652, doi:10.1126/science.1211384..
  44. ↑ N. Levy, S. A. Burke, K. L. Meaker, M. Panlasigui, A. Zettl, F. Guinea, A. H. Castro Neto, M. F. Crommie: Strain-Induced Pseudo-Magnetic Fields Greater Than 300 Tesla in Graphene Nanobubbles. In: Science. 329, Nr. 5991, 30. Juni 2010, S. 544–547, doi:10.1126/science.1191700.
  45. ↑ In der Sprache der Chemie: Es gibt zwei äquivalente Möglichkeiten, in einem Sechserring („Benzolring“) abwechselnd Einfach- und Doppelbindungen einzuführen.
  46. ↑ D. A. Abanin, S. V. Morozov , L. K. Ponomarenko , R. V. Gorbachev , A. S. Mayorov , M. I. Katsnelson , K. Watanabe , T. Taniguchi , K. S. Novoselov , L. S. Levitov, and A. K. Geim: Giant Nonlocality Near the Dirac Point in Graphene. In: Science. 332, Nr. 6027, 15. April 2011, S. 328–330, doi:10.1126/science.1199595.
  47. ↑ Siehe z. B. den folgenden Artikel in der Ausgabe des Physik-Journals vom Mai 2011: Online.
  48. ↑ Yuanbo Zhang, Tsung-Ta Tang, Caglar Girit, Zhao Hao, Michael C. Martin, Alex Zettl, Michael F. Crommie, Y. Ron Shen, Feng Wang: Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene. In: Nature. 459, Nr. 7248, 2009, S. 820–823, doi:10.1038/nature08105.
  49. ↑ D. C. Elias, R. R. Nair, T. M. G. Mohiuddin, S. V. Morozov, P. Blake, M. P. Halsall, A. C. Ferrari, D. W. Boukhvalov, M. I. Katsnelson, A. K. Geim, K. S. Novoselov: Control of Graphene's Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane. In: Science. 323, Nr. 5914, 2009, S. 610–613, doi:10.1126/science.1167130.
  50. ↑ David Chandler: New material could lead to faster chips. In: MIT News. 19. März 2009, abgerufen am 28. März 2009.
  51. ↑ Made in IBM Labs: IBM Scientists Demonstrate World's Fastest Graphene Transistor. Pressemitteilung von IBM vom 5. Februar 2010
  52. ↑ Yanqing Wu, Yu-ming Lin, Ageeth A. Bol, Keith A. Jenkins, Fengnian Xia, Damon B. Farmer, Yu Zhu, Phaedon Avouris: High-frequency, scaled graphene transistors on diamond-like carbon. In: Nature. 472, Nr. 7341, 7. März 2011, S. 74–78, doi:10.1038/nature09979.
  53. ↑ Researchers develop graphene supercapacitor holding promise for portable electronics
  54. ↑ The Univerity of Manchester "Supermaterial goes superpermeable"
  55. ↑ European Flagship Initiative
Abgerufen von „https://www.chemie-schule.de/chemie_137/index.php?title=Graphen&oldid=18568“

News mit dem Thema Graphen

13.05.2024
Teilchenphysik | Elektrodynamik
Elektronenwirbel in Graphen nachgewiesen
In Graphen verhalten sich Elektronen wie eine Flüssigkeit. Dabei können auch Wirbel entstehen. Solche Elektronenwirbel wurden nun mit Hilfe eines Quanten-​Magnetfeldsensors mit hoher räumlicher Auflösung sichtbar gemacht. Normalerweise können solche Fliessphänomene leichter bei tiefen Temperaturen nachgewiesen werden.
07.12.2023
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Optisch geschaltete Magnetfelder: An-Aus in billionstel Sekunden
Angeregt durch korkenzieherförmige Strahlung: Physiker:innen der Universität Duisburg-Essen und ihre Kooperationspartner haben entdeckt, dass winzige Graphenscheiben unter Infrarot-Strahlung zu Elektromagneten werden können. Nature Communications berichtet.
06.10.2021
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Forschungsteam beobachtet eigenes Magnetfeld bei Doppellagen-Graphen
Normalerweise hängt der elektrische Widerstand eines Materials stark von dessen Abmessungen und elementarer Beschaffenheit ab. Unter besonderen Umständen kann der Widerstand jedoch einen festen, also quantisierten, materialunabhängigen Wert annehmen.
02.06.2020
Elektrodynamik | Quantenphysik
Verbundene Nanodreiecke zeigen Weg zu magnetischen Kohlenstoff-Materialien
Graphen-Dreiecke von nur einigen Atomen Kantenlänge verhalten sich wie eigentümliche Quantenmagnete. Wenn zwei dieser Nanodreiecke verbunden werden, findet eine «Quantenverschränkung» ihrer magnetischen Momente statt: Die Struktur wird antiferromagnetisch.
28.01.2020
Festkörperphysik
Auf die Nähe kommt es an: Wie Kristall den Widerstand von Graphen beeinflusst
Graphen wird oft als Wundermaterial der Zukunft bezeichnet. Mittlerweile können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler perfekte Graphen-Lagen auf Quadratzentimeter großen Kristallen wachsen lassen.
23.12.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik
2D-Materialien: Anordnung der Atome in Silicen gemessen
Silicen besteht aus einer einzigen Schicht von Siliziumatomen. Im Unterschied zum ultraflachen Graphen aus Kohlenstoff zeigt Silicen an der Oberfläche Unebenheiten, die sich auf die elektronischen Eigenschaften des Materials auswirken.
10.12.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden
Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar.
03.12.2019
Teilchenphysik | Festkörperphysik
Elektronen-Rangelei in Nanostrukturen aus Kohlenstoff
Physiker aus Kiel und Kopenhagen klären das Verhalten von Elektronen in Graphen-Nanobändern auf.
20.11.2019
Atomphysik | Festkörperphysik
Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern
Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist. Mit „Super-resolution Microscopy“, entwickelt seit den 80er Jahren, kann man diese Einschränkung jedoch umgehen, indem fluoreszierende Materialien eingesetzt werden.
05.11.2019
Festkörperphysik | Quantenoptik
Laser erzeugt topologischen Zustand in Graphen
Die Entdeckung neuer Methoden zur Kontrolle topologischer Aspekte von Quantenmaterialien ist ein wichtiges Forschungsfeld, da mit ihnen Materialien mit wünschenswerten Ladungs- und Spintransporteigenschaften für zukünftige Technologien entwickelt werden können.
21.10.2019
Atomphysik | Festkörperphysik
Atombilder zeigen ungewöhnlich viele Nachbarn für einige Sauerstoffatome
Das Identifizieren neuer chemischer Bindungen ist entscheidend für das Entwickeln neuer Materialstrukturen. PhysikerInnen um Jani Kotakoski an der Universität Wien und Jannik Meyer von der Universität Tübingen haben unerwartete, neue Konfigurationen von Sauerstoff und Stickstoff in Graphen entdeckt.
03.09.2019
Kernphysik | Elektrodynamik
Ein Lineal für Moleküle: Göttinger Forscher entwickeln Verfahren mit verbesserter Auflösung
Forscherinnen und Forscher der Universität Göttingen haben ein neues Verfahren entwickelt, das die speziellen Eigenschaften von Graphen nutzt, um mit fluoreszierenden (lichtemittierenden) Molekülen elektromagnetisch zu interagieren.
08.07.2019
Atomphysik | Physikdidaktik
Atom-Manipulationen spielerisch entdecken
Online-Simulationsspiel macht Graphenforschung zugänglich. Mithilfe eines hochmodernen Elektronenmikroskops kann das Team um Toma Susi an der Uni Wien stark gebundene Materialien Atom für Atom genau manipulieren.
29.04.2019
Atomphysik | Festkörperphysik
Entkoppeltes Graphen dank Kaliumbromid
Bei der Herstellung von Graphen auf einer Kupferoberfläche kann Kaliumbromid zu besseren Resultaten führen. Wenn sich Kaliumbromid-Moleküle zwischen Graphen und Kupfer anordnen, kommt es zu einer elektronischen Entkoppelung.
14.01.2019
Klassische Mechanik
Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen
Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.
28.11.2018
Teilchenphysik
Supermikroskop beobachtet Lithium-Atome auf Wanderschaft - Einblicke in Minibatterie aus Graphen
Man kann es schlicht und einfach eine Sensation nennen, was hier Wissenschaftlern aus Stuttgart, Ulm und Dresden gelungen ist. Mit Hilfe des Supermikroskops SALVE konnten sie in atomarer Auflösung zeigen, wie sich Lithium-Ionen bei elektrochemischen Be- und Entladungsprozessen verhalten.
15.11.2018
Teilchenphysik
Rasende Elektronen unter Kontrolle
Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation.
01.10.2018
Galaxien | Teilchenphysik
Das glimmende Universum
Mit dem MUSE-Spektrographen am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) entdeckten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler riesige kosmische Reservoirs von atomarem Wasserstoff, die ferne Galaxien umgeben.
10.09.2018
Teilchenphysik
Graphen ermöglicht Taktraten im Terahertz-Bereich
Graphen gilt als vielversprechender Kandidat für die Nanoelektronik der Zukunft. Theoretisch sollte es bis zu tausendmal schnellere Taktraten erlauben als die heutige Elektronik auf Silizium-Basis.
09.08.2018
Quantenoptik
Quantenketten in Graphen-Nanobändern
Empa-Forschenden ist gemeinsam mit Forschenden des Max Planck Instituts für Polymerforschung in Mainz und weiteren Partnern ein Durchbruch gelungen, der künftig für präzise Nanotransistoren oder – in fernerer Zukunft – möglicherweise gar bei Quantencomputer Anwendung finden könnte, wie das Team in der aktuellen Ausgabe des Fach ...
09.07.2018
Teilchenphysik
Wie sich einzelne Atome mit Elektronenstrahl steuern lassen
Forscher kontrollieren Siliziumbewegung in Graphen
01.06.2018
Festkörperphysik | Optik
Rätsel um mit Licht angeregtes Graphen gelöst
Fortschritt in der Entwicklung von Lichtsensoren auf Graphenbasis
25.05.2018
Festkörperphysik
Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
Chemiker Dr. Lars Borchardt und seinem Team an der TU Dresden ist ein entscheidender Durchbruch in der Synthese von Nanographenen gelungen.
13.04.2018
Teilchenphysik
Einzelne Fremdatome in Graphen nachweisbar
Einem Team mit Physikern der Universität Basel ist es gelungen, einzelne Fremdatome in Graphenbändern mithilfe der Rasterkraftmikroskopie eindeutig abzubilden.