Ein Atom dünn
Erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien gemessen
Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen.
Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den Physik-Nobelpreis für die Erforschung des Graphens, einer zweidimensionalen Modifikation des reinen Kohlenstoffs. In der Folge konnten einige weitere solcher Materialien aus Elementen wie Silizium oder Germanium hergestellt und charakterisiert werden. „Das Besondere an diesen Materialien ist, dass sie nur eine Atomlage dick sind, also praktisch nur aus Oberfläche bestehen“, erklärt Professor Uwe Hartmann, Experimentalphysiker an der Universität des Saarlandes. Dadurch besitzen sie ganz und gar andere physikalische Eigenschaften als ihre herkömmlichen dreidimensionalen Verwandten.
„Die elektronischen Eigenschaften einiger Konfigurationen sind spektakulär: Die Elektronen folgen im Innern der Materialien den Gesetzen der Relativitätstheorie, was in konventionellen Materialien grundsätzlich nicht der Fall ist. Hier liegen interessante Vorteile für elektronische Bauelemente, die sich aus zweidimensionalen Materialien herstellen lassen“, erläutert Hartmann. Auch die mechanischen Eigenschaften sind einzigartig. „Einige Materialkonfigurationen zeigen eine Stabilität, die – bezogen auf ihre Dicke – weitaus größer ist als die der stabilsten dreidimensionalen Materialien“, sagt er. Die EU hat 2013 das Graphen-Flaggschiff-Projekt als bislang größte Forschungsinitiative mit Forschungsmitteln in Höhe von einer Milliarde Euro ausgestattet, um dieses Potenzial zu erschließen.
Bislang stammen jedoch viele der Informationen über die mechanischen Eigenschaften der neuartigen Materialien aus Simulationsrechnungen. „Die zweidimensionalen Materialien lassen sich bislang nur als dünne Filme auf der Oberfläche dreidimensionaler Materialien handhaben. Damit werden aber die Eigenschaften des Gesamtsystems zwangsläufig durch das dreidimensionale Material bestimmt“, erklärt der Experimentalphysiker. An seinem Lehrstuhl für Nanostrukturforschung ist es in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Neue Materialien INM auf dem Saarbrücker Campus nun erstmals gelungen, die mechanischen Eigenschaften atomar dünner Kohlenstoff-Modifikationen in Form freitragender Membranen direkt zu vermessen.
„Hierdurch wird möglich, Daten aus Simulationsrechnungen direkt mit experimentellen Befunden zu vergleichen. Außerdem lässt sich der Einfluss unterschiedlichster Defekte des Kristallgitters der Membran auf ihre mechanischen Eigenschaften vermessen“, sagt Hartmann. Die zweidimensionalen Materialien lassen in vielen Bereichen Innovationen erwarten - von Sensorik und Aktorik bis hin zu Filtertechnik und Brennstoffzellen: Daher sind die Ergebnisse und Verfahren der Saarbrücker Forscher für viele Forschungsfelder von Interesse.
Die Wissenschaftler benutzten Graphen-Monolagen auf einem Substrat, das eine regelmäßige Anordnung von Löchern aufwies. „Die Löcher hatten einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops konnten wir die freitragenden Membranen über den Löchern mit atomarer Präzision analysieren“, erklärt er.
„Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der spitzenförmigen Sonde des Rastertunnelmikroskops und dem atomar dünnen Graphen-Film fließt ein elektrischer Strom“, so Hartmann weiter. Dieser sogenannte Tunnelstrom hängt empfindlich ab vom Abstand zwischen Sonde und Probe und von der Elektronenverteilung im Graphen-Film. „Dies nutzen wir, um die einzelnen Atome sichtbar zu machen: Der Tunnelstrom variiert, während die Sonde rasterförmig über das Material geführt wird.“ Die Wissenschaftler nutzen noch einen weiteren Effekt: Durch die zwischen Sonde und Probe angelegte elektrische Spannung wird eine Kraft auf die freitragende Graphen-Membran ausgeübt und sie beginnt sich durchzuwölben. „Zieht man die Sonde immer weiter zurück, wölbt sich die atomare Monolage immer weiter durch, weil sie wie mit einer atomar präzisen Pinzette immer weiter hochgezogen wird. Die Messung dieser Dehnung der Membran als Funktion der durch das Tunnelmikroskop erzeugten Zugspannung liefert aber in Form eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms direkt die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der Graphen-Membran“, erläutert Hartmann.
„Wir konnten durch Aufnahme von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen insbesondere die vermuteten außerordentlichen mechanischen Eigenschaften direkt nachweisen, obwohl die dabei aufgewendeten Kräfte mit einem Milliardstel Newton im Vergleich zu konventionellen Messungen ungeheuer klein waren“, erklärt der Experimentalphysiker weiter. Die Forscher zeigten auch, „dass freitragende Membranen sich nicht wie die Membran einer Pauke in Ruhe befinden, wenn man auf sie nicht einwirkt, sondern vielmehr der Oberfläche eines Sees ähneln: Sie weisen die verschiedensten Wellenbewegungen auf und spiegeln jede äußere Störung in Form neuer angeregter Wellen wider“.
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