Perfekte Bänder

Lang und schmal, defektfrei und löslich: Graphen-Nanobänder durch Bottom-up-Synthese

09.02.2011 - Deutschland

Elektronische Bauteile auf Basis von Graphen könnten unsere derzeitige Silicium-Elektronik ablösen. Graphen, eine erst in neuerer Zeit entdeckte Kohlenstoffmodifikation, besteht aus zweidimensionalen Schichten wabenförmig angeordneter aromatischer Kohlenstoffsechsringe. Anders als ausgedehnte Graphenschichten haben schmale Nanobänder aus Graphen Halbleitereigenschaften und wären damit ideale Kandidaten für elektronische Anwendungen. Klaus Müllen und ein Team vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine neue Methode zur Synthese langer, schmaler Graphenbänder mit definierten Dimensionen vor.

Bisher werden Graphenbänder meist aus größeren Graphenschichten herausgeschnitten oder man schlitzt Kohlenstoffnanoröhrchen der Länge nach auf. Allerdings ist es auf diese Weise unmöglich, Bänder mit genau festgelegtem Verhältnis von Breite zu Länge sowie definierten Rändern herzustellen. Diese Details sind aber wichtig, denn sie bestimmen die elektronischen Eigenschaften der Bänder. Gesucht ist daher eine Methode, mit der sich sehr schmale Graphenbänder kontrolliert herstellen lassen – eine extrem schwierige Herausforderung. Die deutschen Forscher um Müllen sind nun auf dem besten Wege, diese zu meistern. Sie gehen dabei nicht von großen Strukturen aus, die sie zerschneiden („Top-down“), sondern bauen die Bänder aus kleineren Bausteinen auf („Bottom-up“).

Als Bausteine wählten Müllen und sein Team lange Ketten aus aromatischen Kohlenstoffsechsringen, so genannte Polyphenylene. Anders als in früheren Ansätzen stellten sie aber keine geraden Ketten her, sondern solche mit flexiblem, zickzackartig geknicktem Rückgrat. Zusätzlich wurden Kohlenwasserstoffseitenketten an das Rückgrat gehängt, um die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln so zu erhöhen, dass die Moleküle zu allen Zeitpunkten in Lösung verarbeitet werden können.

Der folgende Schritt ist eine Reaktion, bei der Wasserstoff abgespalten wird (Dehydrierung). Dabei kommt es in jeder Spitze des „Zickzacks“ zu einem Ringschluss, bei dem ein neuer aromatischer Kohlenstoffsechsring entsteht, der eine gemeinsame Seite mit drei seiner Nachbarringe hat – aus der Kette wird ein schmales Band.

Auf diese Weise gelang es dem Team, eine Serie verschiedener Nanobänder herzustellen, die Längen von mehr als 40 nm erreichen. Die Breite wird dabei über die Größe der „Zacken“ der Polyphenylen-Vorstufen definiert. Die entstehenden Bänder sind frei von Defektstellen und in üblichen organischen Lösungsmitteln löslich.

„Wir haben hier erstmals gezeigt, dass strukturelle Perfektion in der klassischen Bottom-up-Synthese definierter Graphen-Nanobänder möglich ist“, so Müllen. „Die Löslichkeit der Bänder ist eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung elektronischer Bauteile in großem Maßstab.“