Elektronenfänger im Graphen

Die Materialforschung sucht noch immer nach einem wirtschaftlichen Herstellungsverfahren von Graphen. Wissenschaftler der Universität Erlangen-Nürnberg wollen dem jetzt mit Benzonitril einen Schritt näher gekommen sein.

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Mit dem Material Graphen sind große Hoffnungen verbunden. Insbesondere die Industrie verspricht sich Vorteile: Es könnte Computer schneller, Batterien langlebiger und Solarzellen transparent und trotzdem leistungsfähiger machen. Doch dafür sind zum einen Herstellungsverfahren im großen Maßstab erforderlich, zum anderen ist eine umfassende Kontrolle über das Verfahren nötig. Forscher der Universität-Erlangen-Nürnberg sind jetzt auf einen Stoff gestoßen, der letzteres ermöglicht. Im Ergebnis erhalten sie auf kostengünstige Weise unbeschädigte (defektfreie) Graphenschichten, deren Leitfähigkeit sich steuern lässt.

Benzonitril heißt das Mittel, das einen entscheidenden Schritt bei der Herstellung von Graphen erleichtert. Bisher bestand die Schwierigkeit darin, die starken Anziehungskräfte der Graphenschichten in Graphit zu überwinden, ohne die Schichten zu beschädigen.

Eine gängige Herstellungsmethode, laut der Forscher die so genannte chemische Exfolierung, ließ sich mithilfe des Benzonitrils optimieren. Zunächst werden Metallionen in den Graphit eingelagert. Sie sorgen in Kombination mit einem Lösungsmittel dafür, dass sich die einzelnen Graphenlagen voneinander abstoßen. Anschließend musste das Graphen jedoch wieder von den Elektronen aus dem eingelagerten Metall getrennt werden. Das gelang durch Zugabe von Lösungsmitteln und Erhitzen. Doch bei diesen Prozessen können irreversible Defekte entstehen, die die elektronischen Eigenschaften, wie etwa die Leitfähigkeit, des Graphens beeinflussen.

Benzonitril nun fängt die Elektronen ein, ohne dass Defekte in den Gitterkohlenstoffatomen des Graphens entstehen. "Ein solches inertes Oxidationsmittel wurde von mehreren Forschern der ganzen Welt seit vielen Jahren gesucht", sagt Philipp Vecera, Hauptautor der Studie und Mitarbeiter am Lehrstuhl für Organische Chemie II. Dass das Benzonitril ermittelt wurde, ist das Ergebnis einer groß angelegten Studie der Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg. "Durch die exakte Zugabe des Benzonitrils kann die Zahl der Ladungsträger gesteuert werden, die am Ende einen Defekt herbeiführen", erklärt Vecera. Weil zudem keine weiteren Lösungsmittel mehr hinzugefügt werden müssen und das Erhitzen entfällt, "ist das Verfahren deutlich abgekürzt und beschleunigt – und daher kostengünstiger", betont der Chemiker Vecera. (jle)