Verschlungene Wege durchs Graphen

  • 30. June 2015

Doppellagiges Graphen zeigt mosaikartige Falten, die line­ares Ver­hal­ten des Wider­stands im Magnet­feld be­wirken.

Legt man an ein Material ein Magnetfeld an, reagiert der elektrische Widerstand in fast allen Materialien gleich: Er wächst mit der Erhöhung der Magnet­feld­stärke in Form einer Parabel. Es gibt jedoch in der Literatur sporadisch Gegen­beispiele aus unter­schied­lichsten Material­klassen, in denen sich ganz über­raschend der Widerstand nicht para­bolisch, sondern linear verhält. Warum dies so ist, gab den Forschern Jahrzehnte lang Rätsel auf, vermutet hatten sie – aufgrund der Unab­hängig­keit von der Material­klasse – einen sehr allgemeinen Mecha­nismus, den sie zuletzt der Körnig­keit des Materials zuschrieben.

Abb.: Klassisches Modell eines Netzwerks hexagonal verbundener Knotenpunkte (Bild: F. Kisslinger et al.)

Abb.: Klassisches Modell eines Netzwerks hexagonal verbundener Knotenpunkte (Bild: F. Kisslinger et al. / NPG)

Seit 2003 gibt es ein extrem vereinfachtes theoretisches Modell, das wohl den Kern des Effekts erfasst, aber nicht direkt mit Experimenten belegbar ist und viele Fragen offen lässt. Heiko Weber am Lehrstuhl für Angewandte Physik an der FAU und seine Arbeitsgruppe konnten nun ein Modellsystem finden, das zum Verständnis exakt dieses Phänomens führte. Ihre Beobachtung: In Doppellagen-Graphen verhält sich der Magneto­widerstand linear – anders als in einlagigem Graphen.

Doppellagiges Graphen ist eine zwei Atome dicke Schicht des Alltags­materials Graphit. Die Herstellung qualitativ hoch­wertigen, doppel­lagigen Graphens beherrschen die Erlanger Physiker seit vielen Jahren außerge­wöhnlich gut. Doch auch sie hat es über­rascht, dass die Messung des Magneto­widerstandes in der Graphen-Doppellage ab einer Magnetfeldstärke von etwa 1 Tesla plötzlich ein lineares Verhalten bei wachsendem Magnetfeld ergab. Weber und sein Team wollten nun genau wissen, bis zu welcher Magnet­feld­stärke dieser Effekt auftritt: Sie führten daher Messungen im Hochfeld-Magnet­labor Dresden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossen­dorf durch. Dort wurden die Material­proben für einige Milli­sekunden Magnet­feldern bis zu 70 Tesla ausgesetzt, nahe an der Grenze des technisch Machbaren. Doch auch unter diesen extremen Umständen setzt sich das lineare Verhalten des Magneto­widerstands von Doppel­lagen-Graphen linear fort – ein robuster Effekt, so die Beobachtung der FAU-Forscher.

Daraufhin galt es, den Grund für dieses Verhalten zu identifi­zieren. Die vermutete Körnig­keit, die bislang immer als mögliche Ursache für lineares Verhalten des Widerstands heran­gezogen worden war, schien bei der vermutet homogenen Graphen-Doppel­lage nicht gegeben. Doch der Schein trog: Bei der Beobachtung unter dem Trans­missions-Elektronen-Mikro­skop in der Arbeits­gruppe von Erdmann Spiecker in Erlangen zeigte sich, dass Graphen, wenn es doppellagig ist, sehr wohl eine Körnig­keit aufweist. Der Grund: Es bilden sich auf atomarer Skala kleinst­mögliche Falten in der doppelten Lage, sogenannte Partial­versetzungen, durch die das Material als Mosaik erscheint.

Für die elektronischen Eigenschaften dieses Mosaiks entwickelte Sam Shall­cross, Lehrstuhl für Fest­körper­theorie an der FAU, ein quanten­mechani­sches Modell, das den elektro­nischen Übergang von einem Mosaikstein auf den anderen berechnet. Über­raschender­weise zieht jede Versetzungs­linie eine sehr wirksame Barriere für den elek­trischen Strom. Auf der Basis der unter dem Mikroskop sicht­baren Versetzungslinien haben die Forscher die verschlungenen Strom­pfade im Magnet­feld berechnen können – und den genannten Effekt gefunden.

FAU / DE

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  • 30. November 2017

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