Forschung

Graphen: mehr als nur zweidimensional

04.10.2019 - Mechanische Eigenschaften des nur eine Atomlage dünnen Stoffes zeigen dreidimensionales Verhalten.

In Stoffen wie Graphen, die nur eine Atomlage aufweisen, können sich Elektronen nur innerhalb einer Ebene bewegen. Das führt zu interes­santen Effekten bei der elektro­nischen und auch bei der thermischen Leit­fähig­keit. Bei den mechanischen Eigen­schaften hingegen gestaltete sich die Lage anders: Auch wenn Graphen hauch­dünn ist, so kann es nach dem Mermin-Wagner-Theorem kein rein zwei­dimen­sio­naler Stoff sein. Auch Atome haben ihre räum­lichen Abmessungen und aus der Ebene heraus­ragende Atom­orbitale wechsel­wirken mit­ein­ander. Die Bestimmung der entsprechenden Material­konstanten hat sich bislang jedoch als sehr aufwändig heraus­gestellt. Wie ein inter­nationales Forscher­team um Yiwei Sun von der Queen Mary University in London jetzt heraus­gefunden hat, ist Graphen als Fest­körper aber doch gewöhn­licher als gedacht und zeigt typisch drei­dimen­sionale Eigen­schaften.

Die Schwierigkeit bei solchen Messungen besteht darin, einen maximal dünnen Stoff überhaupt kontrol­liert mecha­nischen Belastungen aus­zu­setzen. Bei früheren Experi­menten hat man Graphen auf ein Substrat aufge­bracht und dieses dann einer mecha­nischen Spannung aus­ge­setzt. Das hat den Vorteil, dass man die Dehn­bean­spruchung des Graphens aus den bekannten Para­metern des Experi­ments ableiten kann. Der Nachteil liegt darin, dass man auf diese Weise die mechanische Spannung, der das Graphen ausge­setzt ist, nicht direkt bestimmen kann.

Die Forscher um Sun haben deshalb eine neue Methode entwickelt, um dieses Problem anzugehen: Sie gaben kleine Graphen­flocken in Lösung. In einer Diamant­stempel­zelle setzten sie diese dann unter einen sehr hohen Druck von etwa zwölf Giga­pascal. Die viskose Lösung hielt die Graphen­flocken lange genug für die Messungen davon ab, mit­ein­ander zu verklumpen oder sich zu verknittern, was die Ergebnisse verfälscht hätte.

Bei diesem hohen Druck nutzten die Forscher dann Raman-Spektro­skopie, um die Vibrations­moden des Graphens zu analy­sieren. Dabei konnten sie unter anderem beobachten, dass sich die Schwingungen bei stärkerem Druck zu höheren Werten verschoben – ähnlich wie bei drei­dimen­sio­nalen Stoffen. Dieses Verhalten entspricht einer Elasti­zitäts­konstanten für die Richtung senkrecht zur Ebene – so, als würde Graphen unter Druck dünner werden. Etwas salopp gesagt, verhält sich Graphen mechanisch gesehen also eher wie Karton­pappe als wie Papier.

Die Wissenschaftler begannen mit Graphen, das mit Hilfe von Dampf­phasen­abscheidung auf einem Kupfer­substrat fixiert war. Das Kupfer ätzten sie dann weg, nachdem sie das Graphen mit einem Polymer­film bedeckt hatten. Dann entfernten sie zunächst das Ätzmittel und auch den Polymer­film, so dass nun ein­lagiges Graphen in Lösung vorlag. „Daran konnten wir nun erstmals den Effekt von Druck auf frei vor­lie­gendes Graphen studieren“, sagt Sun.

Nach diesen Messungen ändern sich die mechanischen Eigen­schaften von Graphen mit einer ähnlichen Rate wie die von Graphit. Die Steifigkeit und Anharmo­ni­zität weisen vergleich­bare Werte auf. Das steht in Wider­spruch zu früheren Messungen, die an Graphen auf einem Substrat durch­ge­führt wurden. Offenbar hatte man dabei den Effekt falsch ein­ge­schätzt, der durch die Bindung des Graphens auf dem Substrat zustande kam und der die Kontrak­tion des Graphens stark beein­flussen kann.

Aus atomphysi­ka­lischer Hinsicht liegt die Erklärung für dieses Verhalten auf der Hand: Jedes Atom besitzt Elektronen-Orbitale wie das 2pz-Orbital, die über und unter die Graphen-Ebene hinaus­ragen. Diese Orbitale bewirken bei Kompression eine Gegen­kraft, so dass selbst ein atom­lagen­dünner Stoff wie Graphen nicht nur entlang seiner Ebene wie ein gewöhn­licher Fest­körper auf mecha­nische Einflüsse reagiert.

Die mechanischen Eigen­schaften von Graphen und ähnlichen Stoffen hängen aber auch von weiteren Faktoren ab, wie etwa der Luft­feuchtig­keit. Für Anwendungen in Alltags­produkten wird es wichtig sein, dieses Verhalten abschätzen zu können. „Die Leistung eines graphen­basierten Gerätes könnte sich zwischen dem sehr feuchten Manchester in Nord­england und dem trockenen Arizona deutlich ändern“, erläutert Sun. Die Wissen­schaftler wollen diese Abhängig­keit von Umwelt­bedin­gungen bei künftigen Unter­suchungen an Graphen und Graphit genauer unter die Lupe nehmen.

Die neu entwickelte Methode lässt auch auf andere zwei­dimen­sionale Materialien anwenden. Es ist zu vermuten, dass sich die Beobach­tungen der Wissen­schaftler auch bei anderen Stoffen wieder­holen. Die gewöhn­lichen mecha­nischen Eigen­schaften drei­dimen­sio­naler Körper wie etwa Kompressions­modul sollten sich auch auf zwei­dimen­sionale Stoffe anwenden lassen. Auch die ent­sprechenden Modelle und Theorien könnten für atom­lagen­dünne Materialien Anwendung finden.

Dirk Eidemüller

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RK

 

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