Graphen: Rechnen mit Kohlenstoff

Kaum ein Werkstoff hat in den vergangenen Jahren für so hohes Aufsehen gesorgt, wie das aus nur einer einzigen Atomlage bestehende Graphen. Seit dessen erstmaliger Herstellung im Jahr 2004 und der darauffolgenden Auszeichnung mit dem Physik-Nobelpreis im Jahr 2010 erhoffen sich Wissenschaftler von dem Material große Innovationssprünge in zahlreichen Anwendungsgebieten – allen voran die Halbleiterindustrie.

Fläche mit sechseckiger wabenförmiger Struktur von Graphen
Flache Struktur von Graphen mit typischen sechseckigen Waben. (Foto: Thinkstock)

Graphen besteht aus Kohlenstoff, dem gleichen chemischen Element, aus dem Diamanten aufgebaut sind. Trotz dieser Gemeinsamkeit sind es zwei Materialien mit völlig verschiedenen Eigenschaften, die in ihrem unterschiedlichen chemischen Aufbau begründet sind. Von Graphen spricht man, wenn jedes Kohlenstoffatom in einer flachen Ebene in einem Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist, so dass sich eine bienenwabenförmige, zweidimensionale Struktur ergibt. Kohlenstoff weißt in dieser Zusammensetzung erstaunliche Eigenschaften auf, es besitzt beispielsweise eine 125-mal höhere Zugfestigkeit als Stahl, ist dennoch flexibel und transparent und mit einem Flächengewicht von 757 g pro Quadratkilometer extrem leicht.

Was Graphen zudem für die Elektronikindustrie so vielversprechend macht, sind dessen elektrische Eigenschaften, denn in der zweidimensionalen Schicht wird Strom nahezu widerstandsfrei transportiert. Forscher gehen deshalb davon aus, dass sich damit Transistoren bauen lassen, die Taktraten im Bereich von 500 bis 1000 GHz ermöglichen könnten. Zum Vergleich: Heutige siliziumbasierte Transistoren erlauben in der Regel Taktraten von maximal 5 GHz. Die Europäische Kommission hat deshalb 2013 im Rahmen der „European Flagship Initiative“ beschlossen, die Erforschung von Graphen mit 1 Milliarde Euro zu fördern.

Maßgeschneidertes Graphen für jede Anwendung

Und auch in Deutschland arbeiten Wissenschaftler mit dem vielversprechenden Werkstoff. Im Fokus der Forscher steht dabei vor allem die Frage, wie sich Graphen für verschiedene Anwendungen „maßschneidern“ lässt. Denn Graphen besitzt je nach Form und Umweltbedingungen unterschiedliche Eigenschaften. Zudem kann den Rändern mittels Bottom-Up-Verfahren eine spezielle Form gegeben werden. Will man beispielsweise Transistoren für Computerchips herstellen, so ist es entscheidend, dass das Material halbleitend ist, sich also durch das Anlegen einer Steuerspannung oder eines Steuerstroms zwischen den Zuständen „leitend“ und „nichtleitend“ hin- und herschalten lässt.

Für reines Graphen trifft dies nicht zu, für Graphen in Form dünner Streifen jedoch schon. Zumindest wenn die Kohlenstoffsechsecken versetzt angeordnet werden, so dass an den Rändern Buchten entstehen, die von oben betrachtet aussehen wie ein Stuhl mit Armlehnen. Diese Form wird deshalb armchair  genannt. Werden die Sechsecken direkt nebeneinander angeordnet, so ergibt sich ein Zickzack-Rand (zigzag), der Elektronen mit bestimmter Drehrichtung (Spin) aufweist. Eine weitere besondere Eigenschaft, die vor allem für ein neues Fachgebiet der Elektronik interessant ist, die Spintronik. Dabei werden Informationen nicht mehr mit Hilfe der Ladung von Elektronen gespeichert und verarbeiten, sondern mit dem Spin.

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