Graphen jetzt auch magnetisch

  • 21. April 2016

Anhaftende Wasserstoffatome führen zu ferromagnetischer Ordnung.

Graphen, die zweidimensionale Form des Kohlenstoffs, hat hervor­ragende mechanische, elektronische und optische Eigenschaften. Doch als diamagnetisches Halb­metall schien es für magnetische Anwendungen ungeeignet zu sein. Jetzt ist es spanischen Forschern gelungen, Graphen durch Adsorption von einzelnen Wasserstoff­atomen ferromagnetisch zu machen.

Abb.: Die auf dem hexagonalen Graphengitter sitzenden Wasserstoffatome (graue Kugeln) rufen Elektronenspins hervor, die sich ferromagnetisch (blaue Pfeile) oder antiferromagnetisch (braune Pfeile) ausrichten, je nachdem ob sie auf demselben Untergitter sitzen oder nicht. (Bild: S. M. Hollen & J. A. Gupta)

Abb.: Die auf dem hexagonalen Graphengitter sitzenden Wasserstoffatome (graue Kugeln) rufen Elektronenspins hervor, die sich ferromagnetisch (blaue Pfeile) oder antiferromagnetisch (braune Pfeile) ausrichten, je nachdem ob sie auf demselben Untergitter sitzen oder nicht. (Bild: S. M. Hollen & J. A. Gupta)

Die physikalischen Eigenschaften von Graphen lassen sich auf die Eigenschaften des Kohlenstoff­atoms zurückführen. Dieses kann mit seinen vier Valenz­elektronen (je eines in den Orbitalen 2s, 2px, 2py und 2pz) vier Bindungen eingehen. So erklärt sich die tetra­edrische Atom­anordnung im Diamantem. Doch im Graphen und in einzelnen Graphitlagen ist jedes Atom nur mit drei anderen verbunden, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks sitzen. Dadurch entsteht ein hexa­gonales Gitter, das aus zwei Dreiecks­untergittern gebildet wird.

Der Grund für diese Anordnung der Atome ist, dass die drei in der Gitterebene liegenden Atom­orbitale (2s, 2px und 2py) „hybridisieren“ und drei neue Orbitale bilden, die das Atom wie ein Mercedes­stern umgeben. Sie verleihen dem Graphen seine Struktur, tragen aber nicht zu seiner Leitfähigkeit bei und sind auch nur diamagnetisch, da sie keine ungepaarten Elektronen­spins enthalten.

Das verbleibende hantelförmige 2pz-Orbital des Kohlenstoff­atoms, das senkrecht zur Gitter­ebene steht, bildet mit den entsprechenden Orbitalen der Nachbar­atome sogenannte π-Bindungen. Diese wiederum bilden das Leitungs­band des Graphens, sodass sich ihre Elektronen frei bewegen können. Aber auch bei diesen Elektronen gibt es keine ungepaarten Einzel­spins, sodass das Graphen normalerweise diamagnetisch ist.

Soll Graphen magnetisch, d. h. para- oder sogar ferromagnetisch werden, müssen einzelne Elektronen­spins vorkommen. Um dies zu erreichen, hat man auf Graphen Wasserstoff­gas wirken lassen oder es mit Atomen bombardiert, die Fehlstellen im Graphen­gitter erzeugten. So konnte man Graphen zwar schwach para­magnetisch machen, doch Ferro­magnetismus ließ sich mit diesen unspezifischen Methoden nicht erzielen.

Hier melden nun Iván Brihuega und seine Kollegen von der Universidad Autónoma de Madrid einen Erfolg. Sie haben Graphen bei einer Temperatur von 5 Kelvin ferro­magnetisch gemacht, indem sie einzelne Wasserstoff­atome auf eine Graphen­schicht gebracht und dann mit der Spitze eines Raster­tunnel­mikroskops an die gewünschte Stelle geschoben haben. Anschließend konnten sie dort oder an anderen Stellen im Graphen mit dem Mikroskop die veränderten elektronischen Eigenschaften untersuchen. Ihre Beobachtungen haben sie mit den Ergebnissen von Dichte­funktional­theorie­rechnungen verglichen.

Demnach passierte folgendes: Das einzelne Wasserstoffatom ging mit einem Kohlenstoff­atom eine chemische Bindung ein, sodass das 2pz-Elektron des Kohlenstoff­atoms aus der π-Bindung und damit auch aus dem Leitungs­band herausfiel. Das Leitungs­band enthielt dadurch ein Elektron mit einem ungepaarten Elektronen­spin. Dieser Spin war am Wasserstoff­atom lokalisiert, seine Wellen­funktion konnte sich aber über einige Gitterplätze weit erstrecken.

Saßen zwei oder mehr Wasserstoffatome auf dem Graphen, so konnten die von ihnen hervor­gerufenen Spins über einige Nanometer weit miteinander wechselwirken. Die Wechsel­wirkung zwischen zwei Spins war entweder ferro­magnetisch oder antiferro­magnetisch, je nachdem ob die beiden dazu­gehörigen Atome auf demselben Unter­gitter des hexagonalen Graphen­gitters saßen oder nicht. Befanden sich auf beiden Unter­gittern Wasserstoff­atome, so hing die Stärke der magnetischen Eigenschaften des Graphen von der Differenz der atomaren Besetzungs­zahlen ab. Insbesondere verschwand der Magnetismus, wenn auf beiden Unter­gittern dieselbe Zahl von Wasserstoff­atomen saß.
Indem die Forscher ein Wasserstoffatom von einem Untergitter zum anderen bewegten, konnten sie den Magnetismus an- oder ausschalten.

Befanden sich die Wasserstoffatome alle auf demselben Untergitter, so verstärkte sich die Wechselwirkung der Elektronen­spins, die sich in dieselbe Richtung orientierten: Es trat ferro­magnetische Ordnung auf. Der Theorie zufolge sollte dies auch bei Zimmer­temperatur der Fall sein, was jedoch noch nicht beobachtet werden konnte. Das durch Wasserstoff magnetisierte Graphen könnte für die Spin­tronik interessant werden, die den Elektronen­spin nutzt. Darüber hinaus könnte man die lokalisierten Spins auch zur Speicherung von Information nutzen.

Rainer Scharf

DE

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