2D-Material jetzt in drei Dimensionen

Das könnte beispielsweise helfen, mit Hilfe von Graphen Wasserstoff zu speichern oder chemische Sensoren zu bauen

02.02.2022 - Österreich

Wie bringt man auf beschränktem Raum möglichst viel vom 2D-Material Graphen unter? Indem man es nicht als ebene Fläche, sondern auf einer 3D-Nanostruktur herstellt.

Das Kohlenstoffmaterial Graphen hat keine wirkliche Dicke, es besteht bloß aus einer einzigen Schicht von Atomen. Man spricht daher von einem „zweidimensionalen Material“. Daraus eine dreidimensionale Struktur herstellen zu wollen, mag zunächst vielleicht widersinnig klingen, ist aber ein wichtiges Ziel: Wenn die Eigenschaften der Graphen-Schicht optimal genützt werden sollen, dann braucht man möglichst viel aktive Oberfläche in einem begrenzten Volumen.

Am besten gelingt das, indem man Graphen auf komplizierten, verästelten Nanostrukturen herstellt. Genau das ist nun durch eine Kooperation von CNR Nano in Pisa, der TU Wien und der Universität Antwerpen gelungen. Das könnte beispielsweise helfen, mit Hilfe von Graphen Wasserstoff zu speichern oder chemische Sensoren zu bauen.

Topologischen Zuständen in Graphen auf der Spur

Wie Kohlenstoff-basierte Nanostrukturen eine neue Funktion durch Krümmungen erhalten können

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Aus fest und solide wird porös und durchlöchert

In der Forschungsgruppe von Prof. Ulrich Schmid (Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme, TU Wien) forscht man seit Jahren daran, solide Materialien wie z. B. einkristallines Siliziumkarbid, auf genau kontrollierte Weise in extrem feine, poröse Strukturen umzuwandeln. „Wenn man die Porosität gezielt steuern kann, dann lassen sich dadurch viele verschiedene Materialeigenschaften beeinflussen“, erklärt Georg Pfusterschmied, einer der Autoren der aktuellen Arbeit.

Die notwendigen Verfahren dafür sind kompliziert: „Es ist ein elektrochemischer Prozess, der sich aus mehreren Schritten zusammensetzt“, sagt Markus Leitgeb, der als Chemiker ebenfalls in der Forschungsgruppe von Ulrich Schmid an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien arbeitet. „Man arbeitet mit ganz bestimmten Lösungsmitteln, mit elektrischem Strom und mit UV-Bestrahlung.“ Dadurch lassen sich winzig kleine Löcher und Kanälchen in bestimmte Materialien ätzen.

Aufgrund dieser Expertise bei der Herstellung von porösen Strukturen wandte sich das Team von Stefan Heun vom Istituto Nanoscienze des CNR in Pisa an die TU Wien. In Pisa war man nämlich auf der Suche nach einer Methode, Graphen-Oberflächen in verzweigten Nanostrukturen herzustellen, um eine möglichst große Graphen-Fläche nutzen zu können. Und dafür ist die Technologie der TU Wien wie geschaffen.

„Das Ausgangsmaterial ist Siliziumcarbid – ein Kristall aus Silizium und Kohlenstoff“, sagt Stefano Veronesi, der die Experimente zum Graphen-Wachstum in CNR Nano Pisa durchgeführt hat. „Wenn man dieses Material erhitzt, dann verdampft das Silizium zuerst, der Kohlenstoff bleibt übrig und kann dann, wenn man es richtig macht, an der Oberfläche zu einer Graphen-Schicht werden.“

An der TU Wien wurde daher ein elektrochemischer Ätzprozess entwickelt, der aus solidem Siliziumcarbid die gewünschte poröse Nanostruktur macht. Ungefähr 42% des Volumens werden bei diesem Prozess entfernt. Die verbleibende Nanostruktur wurde dann in Pisa in Hochvakuum erhitzt, sodass sich an der Oberfläche Graphen bildete. Das Resultat wurde dann in Antwerpen genau untersucht. Dabei zeigte sich der Erfolg des neuen Verfahrens: Tatsächlich bildet sich auf der kompliziert geformten Oberfläche der 3D-Nanostruktur eine Vielzahl von Graphen-Abschnitten aus.

Viel Oberfläche in kompakter Form

„Damit kann man die Vorteile von Graphen viel effektiver nutzen“, sagt Ulrich Schmid. „Die ursprüngliche Motivation für das Forschungsprojekt war das Speichern von Wasserstoff: Auf Graphen-Oberflächen kann man Wasserstoffatome zwischenlagern und sie dann für verschiedene Prozesse weiterverwenden. Je größer die Oberfläche, umso größer auch die Wasserstoffmenge, die man speichern kann.“ Aber es gibt auch viele andere Ideen, solche Graphen-Strukturen einzusetzen. Auch in chemischen Sensoren, mit denen man etwa seltene Inhaltsstoffe von Gasen nachweisen möchte, ist eine große Oberfläche von entscheidendem Vorteil.