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Empa Graphen

Graphen leitet Wärme und Strom. Bild: Empa

Härter als Diamant und zugfester als Stahl

Mikrochips und Solarzellen aus dem «Wundermaterial» Graphen



Graphen gilt als Wundermaterial. Doch um es für Mikrochips einsetzen zu können, müsste es eine «An-/Aus-Schaltung» enthalten. Dies ist nun Forschern aus der Schweiz und Deutschland mit Bändern aus Graphen gelungen.  

Der Erfolg sei ein weiterer Schritt, um dereinst Graphen-Transistoren herzustellen, teilte die Empa am Montag mit. Diese könnten kleiner, leichter und schneller als Computerchips aus Silizium sein. Graphen ist ein Nanomaterial, das aus nur einer einzigen Schicht Kohlenstoff besteht. Es hat äusserst interessante Eigenschaften: Es leitet ausgezeichnet Wärme und Strom, ist durchsichtig, härter als Diamant und enorm fest. Für seine erstmalige Herstellung wurde 2010 der Nobelpreis für Physik verliehen. 

Liessen sich daraus Mikrochips erzeugen, halten Forscher damit Prozessorgeschwindigkeiten von bis zu 1000 Gigahertz für möglich. Mit Silizium ist bei rund fünf Gigahertz Schluss. Doch um als elektronische Schalter zu dienen, muss ein Material nicht nur hervorragend leiten können, sondern auch «an»- und «ausgeschaltet» werden können. 

Zum Halbleiter gemacht

Dies ist Forschern des Materialforschungsinstituts Empa und der Uni Bern mit deutschen und US-Kollegen nun gelungen, indem sie in Graphenbändern Stickstoffatome zwischen die Kohlenstoffatome eingebaut haben. Damit erreichten sie, dass Strom nur in eine Richtung floss, wie es bei Halbleiterkristallen geschieht. Sie berichten darüber im Fachjournal «Nature Nanotechnology». 

Empa Graphen

Heterostruktur aus einem reinen und einem Stickstoff-dotierten (blau leuchtenden) Segment eines Graphenbandes. Bild: Empa

Ausserdem schafften sie es, die hauchdünnen Bänder von einer Goldunterlage auf eine nicht-leitende Unterlage zu transferieren. Denn weil Gold Strom leitet, kommt es zu einem Kurzschluss. Dieser Fortschritt bringe den Einsatz von Graphenbändern in der Elektronikwelt näher, erklärten die Forscher – auch wenn es bis dahin noch 10 bis 15 Jahre dauern dürfte. 

Graphen für Solarzellen

Graphenstreifen könnten ausserdem auch für Solarzellen interessant sein, berichtet ein anderes Empa-Team im Fachjournal «Nature Communications». Besonders schmale Graphenbänder absorbieren demnach sichtbares Licht aussergewöhnlich gut und eignen sich deshalb als Absorberschicht in organischen Solarzellen. 

Empa Graphen

Im Gegensatz zu Graphen, das Licht bei allen Wellenlängen gleich stark absorbiert, kann bei Graphennanobändern die Lichtabsorption für bestimmte Wellenlängen gezielt und massiv erhöht werden. Dies geschieht, indem die Breite der Graphenbänder atomar präzise vorgegeben wird. Bild: Empa

«Normales» Graphen absorbiert Licht bei allen Wellenlängen gleich stark. Die Lichtabsorption von Graphennanobändern variiert hingegen mit ihrer Breite. Indem die Forscher die Breite der Bänder atomar präzise einstellten, konnten sie die Absorption für bestimmte Wellenlängen gezielt und massiv erhöhen. (sda)

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