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Fehlerfrei losgelöst: Defektfreies Graphen

FAU/Philipp Vecera

Chemische Herstellung von Graphen: Das Lösungsmittel Benzonitril (grauer Kreis) nimmt die Verursacher von möglichen Defekten auf und färbt sich rot – es entsteht defektfreies Graphen (roter Kreis).

16.08.2016: Graphen gilt als eines der vielversprechendsten neuen Materialien. Es defektfrei und kostengünstig herzustellen, ist für Wissenschaftler weltweit jedoch nach wie vor eine große Herausforderung. Chemikern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ist es nun erstmals gelungen, defektfreies Graphen direkt aus Graphit herzustellen.

Das zweidimensionale Graphen besteht aus einer einzelnen Lage Kohlenstoffatome. Es leitet besonders gut Elektrizität sowie Wärme, ist durchsichtig und dabei gleichzeitig biegsam und fest. Durch diese besonderen Eigenschaften bietet Graphen eine Vielzahl an zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise als transparente Elektrode für flexible Displays.

Der Einsatz von Graphen in der Halbleiterindustrie kann jedoch nur gelingen, wenn Eigenschaften wie die Größe, Fläche und Anzahl der Defekte, die die spätere Leitfähigkeit des Graphens bestimmen, bereits während der Synthese eingestellt werden können. Den FAU-Forschern um Prof. Dr. Andreas Hirsch vom Lehrstuhl für Organische Chemie II ist dafür nun ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben mit Hilfe des Additivs Benzonitril eine Möglichkeit gefunden, direkt aus Lösung das defektfreie Graphen herzustellen. Ihre Methode ermöglicht es, das Graphen nicht nur fehlerfrei – und in einer bisher nicht erreichten Qualität – abzuscheiden, sondern auch über die Zahl der Ladungsträger maßgeschneidert elektronische Eigenschaften einzustellen – und das gleichzeitig kostengünstig und effizient.

Eine gängige Methode, um Graphen zu synthetisieren, ist die chemische Exfoliierung aus Graphit. Dabei werden Metallionen in den Kohlenstoff Graphit eingelagert, eine sogenannte Interkalationsverbindung entsteht. Mit Hilfe von Lösungsmitteln werden die einzelnen Kohlenstofflagen, das Graphen, voneinander getrennt. Nun muss das stabilisierte Graphen noch aus dem Lösungsmittel gelöst und wieder oxidiert werden. Bei diesem Vorgang können jedoch Defekte in den einzelnen Kohlenstofflagen entstehen, wie beispielsweise die Hydrierung und Oxidation der Gitterkohlenstoffatome. Die FAU-Wissenschaftler haben nun eine Lösung für dieses Problem gefunden: Durch die Zugabe des Lösungsmittels Benzonitril kann das Graphen ohne die Bildung von zusätzlichen funktionellen Gruppen herausgelöst werden – und bleibt dadurch defektfrei.

„Diese Entdeckung stellt für Experten auf dem Gebiet der reduktiven Graphen-Synthese weltweit einen Durchbruch dar“, erklärt Professor Hirsch. „Auf deren Basis lassen sich in den nächsten Jahren vermutlich große Fortschritte für die Anwendung von diesen sogenannten nasschemisch exfoliiertem Graphen machen. Als Beispiele seien hier die Abscheidung von defektfreiem Graphen in der Halbleiter- oder Sensortechnik gefragt.

Zusätzlicher Nutzen

Die Methode der FAU-Forscher hat noch einen weiteren Vorteil: Das durch die Reaktion reduzierte Benzonitril-Molekül färbt sich rot, sofern es nicht in Kontakt mit Sauerstoff oder Wasser kommt. Durch diese Farbänderung kann die Zahl der Ladungsträger im System einfach über Absorptionsmessungen bestimmt werden. Dies war bisher nur über die Spannungsmessung möglich und stellt nun eine neue Möglichkeit für Graphen- und Batterieforscher, den Ladungszustand zu messen.

Originalveröffentlichung:
Vecera, P. et al.; "Solvent-driven electron trapping and mass transport in reduced graphites to access perfect graphene"; Nat. Commun.; 7:12411; 2016

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