Empa-Wissenschaftler synthetisieren graphenähnliches Material

Polymer mit Honigwabenstruktur

23.11.2009 - Schweiz

Zweidimensionale Kohlenstoffschichten, so genanntes Graphen, gelten als mögliches Ersatzmaterial für Silizium in der Halbleitertechnologie. Die elektronischen Eigenschaften dieser Schichten lassen sich variieren, indem gezielt Löcher in die Struktur «eingebaut» werden. Physikern der Empa ist es zusammen mit Chemikern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung nun erstmals gelungen, ein graphenähnliches Polymer mit atomarer Genauigkeit zu synthetisieren.

Graphen besteht aus einer zweidimensionalen Kohlenstoffschicht, in der die Kohlenstoffatome in Sechsecken angeordnet sind, was an Honigwaben erinnert. Aufgerollt entstehen aus Graphen Kohlenstoffnanoröhrchen, beim Stapeln von Schichten Graphit. Graphen verfügt über einige ganz besondere Eigenschaften: Es ist härter als Diamant, extrem reissfest und ein hervorragender Wärmeleiter. Zudem ist Graphen undurchlässig für Gase, was es als luftdichtes Verpackungsmaterial interessant macht. Wegen seiner aussergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften gilt Graphen als mögliches Ersatzmaterial für Silizium in der Halbleitertechnologie. Durch «Einbauen» von Löchern mit kontrollierter Grösse und Verteilung sollten sich die elektronischen Eigenschaften gezielt einstellen lassen. Deshalb wird weltweit intensiv an der Synthese und Charakterisierung zweidimensionaler graphenähnlicher Polymere geforscht.

Neue Herstellungsmethode: «bottom-up»-Synthese auf Metalloberfläche

Zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz konnten Empa-Wissenschaftler der Abteilung «nanotech@surfaces» nun erstmals ein graphenähnliches Polymer mit wohldefinierten Poren synthetisieren. Dazu liessen die Forscher molekulare Bausteine aus funktionalisierten Phenylringen auf einer Silberoberfläche zu einer zweidimensionalen Struktur «zusammenwachsen». So entstand ein «poröses» Graphen, dessen Poren nur wenige Atome im Durchmesser aufweisen und dessen Muster sich im Subnanometer-Massstab wiederholt.

Bislang wurden «poröse» Graphene in lithografischen Prozessen hergestellt, indem Löcher nachträglich in die Graphenschicht geätzt wurden. Diese Löcher waren viel grösser als nur wenige Atome, nicht so dicht beieinander und wesentlich weniger präzise als mit dem nun gewählten «bottom-up»-Ansatz der molekularen Selbstorganisation. Durch chemisch definierte Bildungsstellen koppelten die molekularen Bausteine selbstständig aneinander zu einem regelmässigen zweidimensionalen Netzwerk. Dadurch können graphenähnliche Polymere mit so feinen Poren synthetisiert werden, wie sie mit anderen Verfahren nicht zu erreichen sind.

Originalveröffentlichung: Marco Bieri, Matthias Treier, Jinming Cai, Kamel Aït-Mansour, Pascal Ruffieux, Oliver Gröning, Pierangelo Gröning, Marcel Kastler, Ralph Rieger, Xinliang Feng, Klaus Müllen, and Roman Fasel; "Porous graphenes: two-dimensional polymer synthesis with atomic precision"; Chem. Commun., 2009, 6919-6921.

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