Wissenschaft: Graphin ist das bessere Graphen - und herstellbar

Andere Gitterstrukturen versprechen die elektrischen Eigenschaften von Graphen und Halbleitern. Erstmals wurden solche Moleküle erzeugt.

Artikel veröffentlicht am , Johannes Hiltscher
Graphen bildet eine einheitlichen Sechseckstruktur, bei Graphin sind die einzelnen Sechsecke durch Stränge verbunden.
Graphen bildet eine einheitlichen Sechseckstruktur, bei Graphin sind die einzelnen Sechsecke durch Stränge verbunden. (Bild: Pixabay)

Die Pressemeldung der University of Colorado in Boulder spricht gleich von einem "Wundermaterial der nächsten Generation". Das klingt übertrieben, aber tatsächlich hat Graphin besondere Eigenschaften, die es als Halbleitermaterial attraktiv machen. An der UC Boulder konnte Yiming Hu, Doktorand am Institut für Chemie, erstmals eine größere Menge mit defektfreier Struktur erzeugen. Die Publikation kann in Nature Synthesis gelesen werden.

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Die Eigenschaften sogenannter Graphine konnten bislang nur mittels Simulation untersucht werden. Ihre Struktur ist komplexer als die von Graphen, bei dem Kohlenstoffatome in einem sechseckigen Gitter angeordnet sind. Bei Graphin hingegen sind Benzolringe mit sechs Kohlenstoffatomen durch Alkinverbindungen vernetzt. Wie Graphen ist es ein 2D-Material, es entsteht also in Schichten mit einer Atomlage Dicke.

Solche Strukturen sind allerdings komplizierter herzustellen. Hu gelang dies mit einem Verfahren namens Alkinmetathese, mit dem durch Alkine verbundene Moleküle ausgetauscht werden. Findet man die passenden Ausgangschemikalien, lassen sich so gewünschte Moleküle konstruieren.

Durch die Alkinverbindungen bilden Graphine komplexere Gitterstrukturen, was die Ausrichtung der Atomorbitale beeinflusst. Deren Form definiert die Eigenschaften von Graphen und anderen Varianten von Kohlenstoffkristallen wie Graphin. Die Orbitalstruktur lässt sogenannte Dirac-Kegel entstehen, bei denen sich Leitungs- und Valenzband überschneiden. Dadurch verhalten sich Elektronen wie masselose Teilchen, womit die hohe Elektronenbeweglichkeit und Leitfähigkeit von Graphen erklärt wird.

Änderung der Orbitalstruktur ergibt andere Eigenschaften

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Ein Problem von Graphen ist, dass es zwar Strom gut leitet, allerdings ungerichtet. Um beispielsweise Transistoren aufzubauen, muss ein Material nicht reziprok, also bevorzugt in eine Richtung leiten. Genau diese Eigenschaft wurde für einige Graphine vorhergesagt (PDF). In bestimmte Richtungen ist es elektronenleitend (n-Halbleiter), in andere lochleitend (p-Halbleiter). Da dies ohne das Einbringen anderer Materialien (Dotierung) funktioniert, wird es als selbstdotierend bezeichnet. Auch auf andere, beispielsweise optische Eigenschaften hat die Orbitalstruktur Auswirkungen.

Indem die Gitterstruktur des Graphins verändert wird, können somit andere Materialeigenschaften beeinflusst werden. Bei der Synthese von Graphinen berichteten kürzlich auch andere Gruppen Fortschritte. Ob die vorhergesagten Eigenschaften zutreffen, kann nun am realen Material untersucht werden. Allerdings, so Forscher Hu, sei man damit erst am Anfang - der Herstellungsprozess ist aufwendig und es gibt noch viele andere interessante Gitterstrukturen, für die erst Herstellungsprozesse entwickelt werden müssen.

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