Vielfältiger Einsatz 13.01.2020, 07:00 Uhr

Erstmals monolagiger, amorpher Kohlenstoff hergestellt

Forscher haben die weltweit erste atomar-dünne, amorphe Kohlenstoffschicht im Labor hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften machen ihr Medium für zahlreiche Anwendungen in der Elektronik interessant. Eine Kommerzialisierung ist geplant.

Graphen

Schicht aus monolagigem, amorphem Kohlenstoff (Bindungswinkel in Grad bzw. Bindungslängen in Å).

Foto: National University of Singapore

Erstmals ist es Materialforschern an der National University of Singapore gelungen, einatomige, amorphe Schichten zu synthetisieren. Ihre Entdeckung von monolagigem, amorphem Kohlenstoff (MAC), so der Fachbegriff, galt zuvor bei Experten als unmöglich.

Die Synthese könnte eine jahrzehntelange Debatte über die genaue Anordnung von Atomen beenden. Gleichzeitig hofft die Arbeitsgruppe auf zahlreiche Anwendungen in Forschung und Entwicklung.

Verschiedene Theorien zum amorphen Kohlenstoff

Zum Hintergrund: Bislang gab es in der wissenschaftlichen Welt zwei Theorien. Die eine besagt, es sei möglich, dass Materialien eine völlig ungeordnete, absolut zufällige Struktur haben – ohne jede Ausnahme. Die andere Hypothese geht davon aus, dass es immer eine Ordnung von winzigen Kristalliten gibt, wenn auch nur im Nanometer-Bereich. Diese ist dann von einer zufälligen Unordnung umgeben. Diese Muster aus Ordnung und Unordnung prägen das Material.

Im Experiment stellten Forscher atomare, dünne Schichten aus amorphem Kohlenstoff mit Hilfe eines Lasers her, indem sie ein kohlenstoffhaltiges Vorläufergas zu einem atomaren, feinen Nebel verdampften. Dadurch werden Kohlenstoff-Vorläufer zu hochreaktiven, energiereichen Spezies umgewandelt. Sie bilden sofort einen MAC-Film, wenn sie auf die Oberfläche von beliebigen Substraten treffen.

Die jetzt synthetisierten MAC-Filme bestätigen die zweite Theorie: Forscher sehen bei der Strukturaufklärung nanometergroße Flecken gespannter und verzerrter hexagonaler Kohlenstoffringe. Aber es gibt eine zufällige Unordnung zwischen diesen Flecken. Daher enthalten die MAC-Filme nicht nur 6-gliedrige Ringe, sondern auch 5-, 7- und 8-gliedrige Ringe, was so nicht zu erwarten war.

Was ist so revolutionär an monolagigem, amorphem Kohlenstoff?

Trotz einer ungeordneten atomaren Struktur hat MAC mehrere Besonderheiten.

„Das Erstaunliche am Material ist, dass es einige Eigenschaften aufweist, die sich völlig von den traditionellen Monolagen-Materialien unterscheiden“, berichtet Toh Chee Tat von der National University of Singapore. Er hat die Arbeiten geleitet. „Beispielsweise sind MAC-Folien plastisch verformbar.“

Wie der Forscher zeigen konnte, lassen sich solche Medien in unregelmäßige Formen dehnen, und verändern sich nach dieser Krafteinwirkung nicht mehr. Bei solchen Krafteinwirkungen in normalem Rahmen kam es aber auch nicht zum Reißen der Kohlenstoffmembran. „Es gibt kein anderes einschichtiges Material, das eine signifikante plastische Verformbarkeit aufweist“, kommentiert Tat.

Es können sogar Löcher in die Schicht gestanzt oder Einkerbungen angebracht werden, und dennoch behält die Folie ihre wesentlichen Eigenschaften. Außerdem kann MAC auf vielen verschiedenen Substraten wie Kupfer, Gold und Edelstahl gezüchtet werden.

„Alles, was man bislang über atomar-dünne Kristalle in Bezug auf deren Eigenschaften weiß, trifft hier nicht zu“, erklärt Tat. „Es ist ein völlig neues Material, das wir noch weiter untersuchen.“

Vielfältige industrielle Anwendungen denkbar

Bei den Experimenten zeigte sich, dass MAC viel widerstandsfähiger und preisgünstiger in der Herstellung ist als herkömmliche kristalline Folien. Das lasergestützte Abscheideverfahren, mit dem MAC synthetisiert wird, ist in der Industrie bereits weit verbreitet. Beispielsweise kann man mit hohem Durchsatz und bei niedriger Temperatur einen großflächigen, fehlerfreien Monolayer-Film auf einer Vielzahl von Substraten aufwachsen lassen. Das macht MAC zu einem kostengünstigen Material, das den Anforderungen der Industrie gerecht wird und für viele Anwendungen eine Alternative zu zweidimensionalen Kristallen wie Graphen darstellen kann.

Zum Beispiel werden ultradünne Folien als Barriere in vielen Industriezweigen dringend benötigt – für magnetische Aufzeichnungsgeräte der nächsten Generation, für Kupferverbindungen, flexible Displays, Brennstoffzellen, Batterien und für andere elektronische Geräte. Die Leistung herkömmlicher amorpher Materialien ist eher schlecht, werden sie besonders dünn hergestellt. Andere atomar dünne Schichten können nicht nach strengen Industriestandards produziert werden, ohne ihre gewünschten Eigenschaften zu beeinträchtigen.

„Unsere monolagigen, amorphen Schichten erreichen nicht nur die theoretisch mögliche Dickengrenze, sondern gehen auch keine Kompromisse bei der Uniformität und Zuverlässigkeit ein und werden allgemein als industrietauglich angesehen“, ergänzt Barbaros Özyilmaz.

Er ist Professor am Department of Materials Science and Engineering der National University of Singapore. Die Forscher arbeiten bereits mit Industriepartnern zusammen, um nicht nur die Eigenschaften zu untersuchen, sondern vor allem die Kommerzialisierung voranzutreiben.

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Von Michael van den Heuvel
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