Graphensynthese aus einzelnen Molekülen geglückt
Chemikern des Mainzer Max-Planck-Instituts für Polymerforschung gelingt entscheidende Weiterentwicklung der Graphensynthese. Industrielle Nutzung des Wundermaterials rückt näher.
Mainz. Forschern des Max-Planck-Institutes für Polymerforschung (MPI-P) um Xinliang Feng und Klaus Müllen ist es gelungen, Graphenstreifen in bisher unerreichter Größe und mit definierter Struktur in Lösung herzustellen. Das neuartige Syntheseverfahren wurde im Fachjournal "Nature Chemistry" vorgestellt. Bei dieser Herstellungsmethode werden Moleküle auf Kohlenstoffbasis zu Graphenstreifen in gewünschter Form und Größe zusammengesetzt. Erst dann entfaltet sich das entscheidende Merkmal des Materials: die defektfreien Graphenstreifen zeigen exzellente Halbleitereigenschaften. Damit bringt das Nanomaterial optimale Voraussetzungen für den Einsatz in elektronischen Bauteilen wie etwa Transistoren mit und ist weitaus leistungsfähiger als das derzeit verwendete Silizium. "Wir haben einen großen Schritt nach vorn gemacht und können nun Graphenstreifen mit einzigartigen Eigenschaften in Lösung herstellen", erklärt Forschungsgruppenleiter Xinliang Feng.
Um die Erforschung und Herstellung von Graphen ist ein weltweiter wissenschaftlicher Wettbewerb entbrannt. Die Europäische Kommission ist mit Nachdruck daran beteiligt: Das Förderprogramm "Graphene Flagship" (2013) stellt in den kommenden zehn Jahren Mittel in Höhe von annähernd einer Milliarde Euro für die Nutzbarmachung von Graphen bereit. Wissenschaftler des MPI-P haben bereits wichtige Fortschritte erzielt: Schon seit 2003 verfolgt Klaus Müllen, Direktor am MPI-P, den "Bottom-Up"-Ansatz, Graphenstreifen aus einzelnen Molekülen zu synthetisieren. Mechanische Verfahren ("Top-Down") oder Kristallwachstum erreichen nicht die nötige Präzision und liefern Ergebnisse mit Defekten. Die Herstellung in Lösung wurde 2011 von Müllens Forschungsgruppe entwickelt und entspricht all diesen Bedürfnissen. Nun ist es durch eine Modifizierung der Methode gelungen, Graphenstreifen mit exakt definierter Fläche und Struktur zu formen. Gegenüber dem als Wundermaterial gepriesenen Graphen verfügen nur die Streifen aus Graphen über Bandlücken. Erst diese strukturelle Eigenheit erlaubt die Steuerung der Elektronenbewegung und der optischen Merkmale. Die resultierenden Halbleitereigenschaften der Graphenstreifen sind denen von Silizium überlegen. Als dessen Nachfolger in elektronischen Geräten, Batterien oder Solarzellen lassen sie zukünftig eine Vervielfachung der Leistungsfähigkeit solcher Anwendungen erwarten. Entscheidend dafür wird sein, ob sich ihre Herstellung in industriellem Maßstab realisieren lässt. Mit der Verarbeitung in Lösung markiert das neue Syntheseverfahren auch einen entscheidenden Schritt zur Massenproduktion des zweidimensionalen Materials.
Die im Leitbild des Instituts verankerte transdisziplinäre Zusammenarbeit spielte bei dem neuerlichen Forschungserfolg eine tragende Rolle: Der Durchbruch der Syntheseexperten bestätigte sich erst nach einer Reihe spezifischer Untersuchungen durch andere Forschungsgruppen des MPI-P. Laserspektroskopische Messungen haben gezeigt, dass das in Lösung gewonnene Graphen eine hohe Lichtleitfähigkeit besitzt. Doktorrand Akimitsu Narita, selbst an der Synthese maßgeblich beteiligt, konnte die Bandlücken durch Ermittlung der UV-Absorption der Graphenstreifen in Lösung nachweisen. Außerhalb des MPI-P waren weitere Wissenschaftler der FU Berlin, aus den Niederlanden, Großbritannien, Dänemark und Belgien an der Analyse der Materialeigenschaften beteiligt.
Vornehmlich wird das Material weiterhin Objekt der Grundlagenforschung sein, der sich das MPI-P verschrieben hat. Die physikalischen Eigenschaften und ihre Ursachen werden mit mikroskopischen und spektroskopischen Verfahren untersucht, um weitere Verbesserungspotenziale und fundamentale Funktionen aufzudecken.
