„Science“-Studie: Chemiker erzielen Durchbruch bei der Synthese von Graphen-Nanobändern

Nanobänder aus Graphen lassen sich in Zukunft deutlich einfacher herstellen als bisher. Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), der University of Tennessee und des Oak Ridge National Laboratory in den USA ist es erstmals gelungen, das vielseitige Material direkt auf Halbleiter-Stoffen herzustellen.

Bisher war das nur auf Metall-Oberflächen möglich. Mit dem neuen Ansatz lassen sich auch die Eigenschaften der Nanobänder wie gewünscht anpassen. Einsatz finden könnte das Material zum Beispiel in der Speichertechnik. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der aktuellen Ausgabe von „Science“.

Graphen wird in Fachkreisen seit Jahren als Material der Zukunft gehandelt. Dabei handelt es sich vereinfacht gesagt um zweidimensionale Kohlenstoffflächen, die in ihrer Struktur an Bienenwaben erinnern. Durch seine spezielle Anordnung erhält das Material besondere Eigenschaften: Es ist zum Beispiel äußerst stabil und ultraleicht. Graphen-Nanobänder sind dabei von besonderem Interesse, weil sie ein Halbleitermaterial sind, das zum Beispiel in der Elektro- und Computerindustrie eingesetzt werden könnte.

„Deshalb konzentrieren sich die viele Arbeitsgruppen weltweit auf Graphen-Nanobänder“, erklärt der Chemiker Prof. Dr. Konstantin Amsharov von der MLU. Diese nur Nanometer großen Bänder bestehen aus wenigen Kohlenstoffatomen in der Breite, ihre Eigenschaften ergeben sich aus ihrer Form und Breite. Zu Beginn der Graphenforschung wurden diese Bänder hergestellt, indem größere Flächen zerschnitten wurden. „Das war ein sehr kompliziertes und ungenaues Verfahren“, so Amsharov weiter.

Gemeinsam mit Forschern aus Deutschland, den USA und Polen ist es ihm nun gelungen, die Herstellung der begehrten Nanobänder sehr stark zu vereinfachen: Dafür nutzte das Team ein Verfahren, um das Material herzustellen, bei dem einzelne Atome aneinandergefügt werden. So lassen sich die Eigenschaften wie gewünscht anpassen. Den Forschern ist es nun zum ersten Mal gelungen, die Bänder auf der Oberfläche von Titanoxid, einem nicht-metallischen Material, herzustellen.

„Bisher wurden die Bänder vor allem auf Goldoberflächen synthetisiert. Das ist nicht nur vergleichsweise teuer, sondern auch unpraktisch“, so Amsharov. Das Problem an diesem Ansatz sei nämlich, dass Gold Strom leitet. Dadurch würde es die Eigenschaften der Graphen-Nanobänder direkt wieder zunichtemachen, weshalb diese Methode bisher nur in der Grundlagenforschung zum Einsatz kam.

Das Gold wurde aber als Katalysator benötigt, um die Nanobänder überhaupt herzustellen. Außerdem mussten die Nanobänder im Anschluss von der Goldoberfläche auf eine andere transferiert werden, ein sehr kniffliges Unterfangen. Der neue Ansatz von Amsharov und seinen Kollegen löst diese Reihe von Problemen.

„Mit unserer neuen Methode haben wir die komplette Kontrolle darüber, wie die Graphen-Nanobänder zusammengesetzt werden. Das Verfahren ist technologisch relevant, kann also auch industriell angewendet werden, und ist kostengünstiger als bisherige Ansätze“, fasst Amsharov zusammen. Die Anwendungsgebiete für die Nanobänder sind groß: Sie könnten künftig in der Speicher- und Halbleitertechnik zum Einsatz kommen und sind auch eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Quantencomputern.

Über die Studie: Kolmer M. et al. Rational synthesis of atomically precise graphene nanoribbons directly on metal oxide surfaces. Science (2020). Doi: 10.1126/science.abb8880