Forschung

Geflochtenes Graphen

18.02.2021 - Kagome-Graphen zeigt flache Bandstruktur und schaltbare halbleitende Eigenschaften.

Weltweit befinden sich Forscher auf der Suche nach neuen synthetischen Materialien, die besondere Eigenschaften wie die der Supraleitung besitzen. Solche neuen Stoffe sind ein wichtiger Schritt hin zu besonders energie­sparender Elektronik. Einlagige Schichten wabenartig angeordneter Kohlenstoffatome (Graphen) sind dabei oft das Ausgangs­material. Ganz andere Eigenschaften als Graphen soll nach theoretischen Berechnungen das Kagome-Graphen besitzen. Kagome-Graphen besteht aus einem regelmäßigen Muster aus Sechsecken und gleichseitigen Dreiecken, die einander jeweils umgeben. Der Name „Kagome“ stammt aus dem Japanischen und bezieht sich auf die alte japanische Flecht­kunst Kagome, bei der Körbe mit dem beschriebenen Muster geflochten werden. 
 

Forscher des Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben in Zusammenarbeit mit der Universität Bern erstmals Kagome-Graphen hergestellt und untersucht. Ihre Messungen lieferten vielversprechende Ergebnisse, die auf ungewöhnliche elektrische oder magnetische Eigenschaften hindeuten. 

Für die Herstellung des Kagome-Graphen dampfen die Forscher eine Vorläufersubstanz auf eine Silberoberfläche auf. Durch Aufheizen entsteht auf der Oberfläche zunächst eine organometallische Zwischen­verbindung und nach weiterem Heizen das Kagome-Graphen, das ausschließlich aus Kohlenstoff- und Stickstoff­atomen besteht und das gleichmäßige Muster aus Sechs- und Dreiecken bildet.

„Mithilfe von Rastertunnel- und Rasterkraft­mikroskopen haben wir die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des Kagome-Gitters untersucht“, berichtet Rémy Pawlak, Erstautor der Studie. Mit dieser Art von Mikroskopen lassen sich Struktur und elektrische Eigenschaften von Materialien abtasten – in diesem Fall verwendeten die Forscher einzelne Kohlenmonoxid-Moleküle an der Spitze.

Die Wissenschaftler stellten dabei fest, dass die Elektronen bei einer festgelegten Energie, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung selektiert wird, in dem Kristallgitter von Kagome-Graphen zwischen den Dreiecken des Gitters „gefangen“ sind. Dies unterscheidet Kagome-Graphen deutlich von herkömmlichem Graphen, bei dem sich Elektronen in verschiedenen Energiezuständen im Gitter verteilen – also delokalisiert sind. 

„Diese bei Kagome-Graphen gefundene Lokalisation ist erwünscht und genau das, wonach wir gesucht haben“, erklärt Ernst Meyer, in dessen Gruppe die Arbeiten durchgeführt wurden. „Sie bewirkt, dass zwischen den Elektronen starke Wechselwirkungen auftreten und diese Wechsel­wirkungen wiederum sind die Basis für ungewöhnliche Phänomene wie die der widerstands­losen Stromleitung.“

Die Untersuchungen zeigten auch, dass Kagome-Graphen halbleitende Eigenschaften besitzt – sich die leitenden Eigenschaften also ein- oder ausschalten lassen, wie das in einem Transistor geschieht. Damit unterscheidet sich Kagome-Graphen deutlich von Graphen, dessen Leitfähigkeit nicht so einfach geschaltet werden kann. 

In weitergehenden Untersuchungen wird das Team das Kagome-Gitter von seiner metallischen Oberfläche lösen und die elektronischen Eigenschaften weiter studieren. „Die experimentell nachgewiesene flache Bandstruktur des Materials unterstützt die theoretischen Berechnungen, dass Kagome-Gitter spannende elektronische und magnetische Phänomene zeigen könnten. Kagome-Graphen könnte in Zukunft ein wichtiger Baustein für nachhaltige und effiziente elektronische Komponenten sein“, kommentiert Meyer. 

U. Basel / DE
 

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