Forschung

Diffusion in heißem Graphen

27.06.2022 - Wanderung von Kohlenstoffatomen auf dem Nanomaterial erstmals gemessen.

Die Wanderung von Kohlenstoff­atomen auf der Oberfläche von Graphen wurde kürzlich erstmals gemessen. Obgleich sich die Atome zu schnell bewegen, um sie direkt mit einem Elektronen­mikroskop beobachten zu können, konnte ihr Einfluss auf die Stabilität des Materials nun indirekt bestimmt werden, während das Material auf einer mikro­skopischen Heizplatte erhitzt wurde. Die Studie wurde von Forschern an der Fakultät für Physik der Universität Wien durch­geführt.

Einige grund­legende Prozesse in Graphen konnten bisher noch nicht gemessen werden, darunter die Bewegung von Kohlenstoff­atomen auf seiner Oberfläche. Diese zufällige Bewegung ist der atomare Ursprung des Phänomens der Diffusion. In der Atmosphäre und in den Ozeanen sorgt Diffusion für eine gleichmäßige Verteilung von Sauerstoff oder Salz. In der technischen Industrie ist es von zentraler Bedeutung für die Stahl­produktion, Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoff­zellen, um nur einige Beispiele zu nennen. In der Material­wissenschaft erklärt die Diffusion an der Oberfläche von Festkörpern, wie bestimmte kata­lytische Reaktionen ablaufen und viele kristalline Materialien, ein­schließlich Graphen, gezüchtet werden.

Die Diffusions­geschwindigkeit an der Oberfläche hängt im Allgemeinen von der Temperatur ab: Je wärmer es ist, desto schneller diffun­dieren die Teilchen. Indem diese Geschwindigkeit bei verschiedenen Temperaturen gemessen wird, kann prinzipiell die Energie­barriere bestimmt werden, die beschreibt, wie leicht Atome von einem Ort auf der Oberfläche zum nächsten wandern können. Dies ist jedoch nicht möglich, wenn die Atome nicht lange genug an Ort und Stelle bleiben, so wie es bei Kohlenstoff­atomen auf Graphen der Fall ist. Daher stützte sich unser Verständnis bisher auf Computer­simulationen. In der neuen Studie wird diese Schwierigkeit überwunden, indem ihre Wirkung indirekt gemessen wird, während das Material auf einer mikro­skopischen Heizplatte in einem Elektronen­mikroskop erhitzt wird.

Indem die Forscher die atomare Struktur von Graphen mit Elektronen sichtbar machten und dabei gelegentlich Atome heraus­schleuderten, konnten sie bestimmen, wie schnell sich die Kohlenstoff­atome auf der Oberfläche bewegen müssen, um das Füllen der entstehenden Löcher bei erhöhten Temperaturen zu erklären. Somit konnte durch die Kombination von Elektronen­mikroskopie, Computer­simulationen und dem Verständnis für das Zusammenspiel von Bildentstehung und Diffusion eine Schätzung für die Energie­barriere ermittelt werden. „Nach sorgfältiger Analyse konnten wir einen Wert von 0,33 Elektronenvolt dingfest machen, etwas niedriger als erwartet“, so Andreas Postl.

Die Studie ist auch ein Beispiel für einen glücklichen Zufall in der Forschung. Das ursprüng­liche Ziel des Teams war, die Temperatur­abhängigkeit von Strahlenschäden durch Elektronen zu messen. „Ehrlich gesagt war es nicht das, was wir ursprünglich untersuchen wollten. Aller­dings passieren solche Entdeckungen in der Wissenschaft oft, wenn man hartnäckig kleinen, aber unerwarteten Details nachgeht“, fasst Toma Susi zusammen.

U. Wien / JOL

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