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Lösungsmittel weist Weg zum defektfreien Graphen

Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg haben mit Benzonitril einen Stoff entdeckt, mit dem sich defektfreies Graphen herstellen lassen soll. Das könnte die Halbleiterindustrie interessieren.

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Nicht mit Pac-Man verwechseln: Das Lösungsmittel Benzonitril (grau) nimmt die Verursacher von möglichen Defekten im Graphen auf und färbt sich dabei rot.

(Bild: FAU/Philipp Vecera)

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Chemiker der Universität Erlangen-Nürnberg sind einem wirtschaftlichen Herstellungsverfahren von Graphen einen Schritt näher gekommen. In ihrer Studie, veröffentlicht in Nature Communications, stellen sie Benzonitril vor. Das Lösungsmittel soll ein Verfahren ermöglichen, das kostengünstige Weise unbeschädigte (defektfreie) Graphenschichten hervorbringt, deren Leitfähigkeit sich steuern lässt, das berichtet Technology Review online in "Elektronenfänger im Graphen".

Die bisherige Schwierigkeit bei der Herstellung von Graphen besteht darin, die starken Anziehungskräfte der Graphenschichten in Graphit zu überwinden, ohne die Schichten zu beschädigen. Mithilfe des Benzonitrils ließ sich die so genannte chemische Exfolierung optimieren. Zunächst werden dazu Metallionen in den Graphit eingelagert. Sie sorgen in Kombination mit einem Lösungsmittel dafür, dass sich die einzelnen Graphenlagen voneinander abstoßen. Anschließend musste das Graphen jedoch wieder von den Elektronen aus dem eingelagerten Metall getrennt werden. Das gelang durch Zugabe von Lösungsmitteln und Erhitzen. Doch bei diesen Prozessen können irreversible Defekte entstehen, die die elektronischen Eigenschaften, wie etwa die Leitfähigkeit, des Graphens beeinflussen.

Benzonitril nun fängt die Elektronen ein, ohne dass Defekte in den Gitterkohlenstoffatomen des Graphens entstehen. "Ein solches inertes Oxidationsmittel wurde von mehreren Forschern der ganzen Welt seit vielen Jahren gesucht", sagt Philipp Vecera, Hauptautor der Studie. "Durch die exakte Zugabe des Benzonitrils", so Vecera weiter, "kann die Zahl der Ladungsträger gesteuert werden, die am Ende einen Defekt herbeiführen." Gerade diese Kontrolle ist es, die den Einsatz von Graphen beispielsweise in der Halbleiterindustrie begünstigen könnte. Weil zudem keine weiteren Lösungsmittel mehr hinzugefügt werden müssen und das Erhitzen entfällt, "ist das Verfahren deutlich abgekürzt und beschleunigt – und daher kostengünstiger", betont der Chemiker Vecera. (jle)