Graphen als Schutzschicht verhindert dauerhaft Korrosion

Graphen, ein Kohlenstoffgeflecht, das nur eine Atomlage dick ist, übernimmt eine neue Aufgabe in der Halbleitertechnik.

Struktur von Graphen: Die Kohlenstoff-Verbindung gilt als "Wundermaterial". Jüngste Statistiken zeigen einen scharfen Anstieg bei den Patentanmeldungen für diverse Anwendungsmöglichkeiten.

Foto: NASA

Nickel- und Kobalt-, in jüngster Zeit auch Eisen-Silicide sind hervorragende elektrische Leiter. Deshalb werden sie als Kontakte in speziellen Transistoren eingesetzt. Sie haben allerdings einen Nachteil: Sie reagieren schnell mit Sauerstoff – bei Eisen spricht man von rosten. Physiker der Universität Wien haben jetzt ein Verfahren gefunden, das diese Korrosion verhindert. Sie überziehen die Silicide mit Graphen, einem Werkstoff mit phänomenalen Eigenschaften. Eine davon ist die Abwehr von Sauerstoffattacken.

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Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die lauter aneinander gekettete Sechsecke bilden, die einer Bienenwabe nachempfunden sein könnten. Das Besondere an diesem extrem festen und leichten Werkstoff: Er ist nur eine Atomlage dick, das ist weniger als ein Millionstel Millimeter.

Damit haben die Wiener Forscher und ihre Kollegen aus Deutschland und Russland zunächst nichts anderes als ein neues Forschungsobjekt, auf das sie allerdings große Hoffnungen setzen. Das Sandwich könnte in der Halbleitertechnik eine wichtige Rolle spielen. Texanischen Wissenschaftlern etwa ist es schon gelungen, Graphen mit einem Isolator zu bedecken, Vorstufe zu einem neuartigen Halbleiter.

Mit Einstein und Arpes

Zunächst müssen die Wiener Wissenschaftler mehr über ihr Sandwich herausfinden. Dazu setzen sie zwei einander ergänzende Messmethoden ein: den äußeren photoelektrischen Effekt, der im 19. Jahrhundert entdeckt und 1905 von Albert Einstein wissenschaftlich begründet wurde, und die winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie Arpes (nach der englischen Bezeichnung Angle-resolved photoemission spectroscopy). Die Probe wird einfach mit Licht beschossen. Die Energie der Photonen (Lichtteilchen) geht über auf Elektronen im Metall, allerdings nur, wenn sie die der so genannten Bindungsenergie übersteigt, mit der die Elektronen festgehalten werden. Diesen Part nennt man den photoelektrischen Effekt.

Die negativ geladenen Teilchen stieben nach allen Seiten davon. Sie landen allesamt in Arpes, das die Winkel misst, unter denen sie die Probe verlassen. Das lässt Rückschlüsse zu auf die Struktur. „Schichten so dünn wie einzelne Atome und daraus hergestellte Hybridmaterialien ermöglichen uns, eine Fülle von ungewöhnlichen elektronischen Phänomenen zu studieren”, schwärmen die Materialexperten Alexander Grüneis und Nikolay Verbitskiy. Ihre erste Erkenntnis: Die Graphen-Schicht und damit der Korrosionsschutz bleiben dauerhaft erhalten, weil es praktisch keine Reaktionen zwischen den Kohlenstoffatomen und den Siliciden gibt.

Ein Beitrag von:

Wolfgang Kempkens

Wolfgang Kempkens studierte an der RWTH Aachen Elektrotechnik und schloss mit dem Diplom ab. Er arbeitete bei einer Tageszeitung und einem Magazin, ehe er sich als freier Journalist etablierte. Er beschäftigt sich vor allem mit Umwelt-, Energie- und Technikthemen.