Verfahren zur Verarbeitung bringen Qualitätsverluste mit sich

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Das Material der Zukunft : Graphen, ein Wunderstoff mit Tücken

Ein anderes Verfahren sei die chemische Dampfabscheidung, die Zersetzung eines kohlenstoffhaltigen Gases an einer Oberfläche, wobei sich Graphen als Festkörperfilm abscheidet. Das gelingt bisher aber nur auf Metallflächen. Um den Wunderstoff zu elektronischen Bauelementen weiterzuverarbeiten, muss man ihn vom Metall auf einen Isolator übertragen, wobei er deutlich an Qualität einbüßt.

„Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Graphen aus einzelnen Bausteinen zusammenwachsen zu lassen“, sagt Müllen. Dazu kann man beispielsweise viele Benzolringe aneinanderfügen und so den molekularen Maschendrahtzaun Wabe um Wabe erweitern. Das Verfahren ist allerdings aufwendig und teuer. Auch lassen sich damit nicht beliebig große Graphenstücke herstellen, denn mit wachsender Ausdehnung gehen sie immer schlechter in Lösungsmittel über. Das erschwert es, die entstandenen Graphenstücke als dünne Filme abzuscheiden, wie man sie für elektronische Schaltungen braucht. Zwar haben Chemiker mittlerweile Wege gefunden, maßgeschneiderte Graphenmoleküle mit genau definierter Form, Größe und Zusammensetzung herzustellen. Doch größere Mengen lassen sich damit noch nicht synthetisieren.

Indem man Siliziumkarbid, eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, auf mehr als 1000 Grad erhitzt und kohlenstoffhaltige Gase darüberleitet, kann man Graphen auf einen Kristall aufwachsen lassen. Das Verfahren erlaubt es, Graphenfilme mit einigen Zentimetern Ausdehnung herzustellen. Leider binden sie jedoch an den Kristallträger und büßen dabei ihre Elektronenbeweglichkeit ein.

Zusätzliche Schwierigkeiten tun sich auf. In Graphen müssen die Elektronen nur eine kleine Energiedifferenz überwinden, um ihre Atome zu verlassen und frei durchs Material zu wandern. Infolgedessen lässt sich der Strom, der durch einen Transistor aus Graphen fließt, nicht vollständig abschalten. Das macht ihn für digitale Schaltkreise nur bedingt geeignet.

„Man kann die Eigenschaften des Materials diesbezüglich verbessern, indem man lange Streifen daraus herstellt oder Fremdatome darin einbringt“, sagt Müllen. Trotzdem sehen manche Forscher das Graphen eher als Material für die Analogtechnik, etwa für analoge Hochfrequenzschaltkreise, die Signalstärken verändern, statt Signale an- und auszuschalten. Ohnehin rücken noch andere Bereiche als die digitale Elektronik in den Blick, wenn es um neue Möglichkeiten des Graphens geht. So eigne sich die Kohlenstoff-Folie auch als Material für Energiespeicher, betont Müllen.

Heutige Notebooks, Mobiltelefone und Digitalkameras beziehen ihren Strom oft aus Lithiumionenbatterien. Ein solcher Akku enthält typischerweise eine Elektrode aus Graphit, das aber nur in begrenztem Umfang elektrische Ladung speichern kann. Deutlich mehr Ladung speichern Metalloxide, jedoch werden sie beim Auf- und Entladen der Batterie zerstört. Umhüllt man die Metalloxid-Elektrode mit Graphen, bleibt sie über viele Lade-Entladezyklen hinweg intakt, wie Experimente gezeigt haben.

Für andere Energiespeicher, die Superkondensatoren, kann man aus Graphen Elektroden herstellen, die eine viel größere Fläche haben als bisher erreichbar. Das verleiht den Kondensatoren ein größeres Speichervermögen und kürzere Ladezeiten. Forscher der Universität von Kalifornien berichteten 2012, einen Superkondensator auf Basis von Graphen entwickelt zu haben. Er hält den Wissenschaftlern zufolge ebenso viel Ladung wie herkömmliche Batterien, lässt sich aber hundert- bis tausendmal so schnell auf- und entladen.

Auch als Reaktionsbeschleuniger (Katalysator) könnte sich Graphen bewähren. In einer Brennstoffzelle etwa ist die zentrale Reaktion das Übertragen von Elektronen auf Sauerstoff unter Spaltung des Sauerstoffmoleküles, wobei Wasser entsteht. Um diese Reaktion kontrolliert ablaufen zu lassen, braucht man Katalysatoren. Graphen ist dafür geeignet, wenn in seinem Kohlenstoffgitter einzelne Atome durch Stickstoff ersetzt sind. Ob es gelingt, solche Verbindungen preiswert herzustellen, wird sich zeigen.

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