Eigenschaften von Graphen

Graphen hat ungewöhnliche Eigenschaften, die es sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen interessant machen, und zwar vor allem in der Physik (wie auch der Nobelpreis aussagt, der 2010 vergeben wurde, s. o.).   Beispielsweise sind Graphen-Flächeneinkristalle innerhalb der Flächen außerordentlich steif und fest. Der Elastizitätsmodul entspricht mit ca. 1020 GPa dem von normalem Graphit entlang der Basalebenen und ist fast so groß wie der des Diamants. Seine Zugfestigkeit von 1,25×1011 Pa ist die höchste, die je ermittelt wurde, und rund 125-mal höher als bei Stahl. Ein Band aus Graphen von 1 m Breite und 3,35 × 10−10 m Dicke, also von einer Atomlage, hat daher eine Zugfestigkeit von 42 N. Ein Band für einen Weltraumlift aus Graphen mit konstanter Querschnittsfläche würde in der Höhe der geostationären Umlaufbahn von 35.786 km erst zu 87,3 % seiner Reißfestigkeit belastet werden.   Ausgehend von monokristallinem Graphit mit einer Dichte von 2260 kg·m−3 und einem Schichtabstand von 3,35 × 10−10 m, errechnet sich durch Multiplikation für Graphen eine Flächenmasse von 7,57 × 10−7 kg·m−2.Ein Quadratkilometer wiegt somit 757 g.   Graphen besitzt keine natürliche Bandlücke, wie bei Halbleitern üblich. Eine künstliche Bandlücke im Graphen kann jedoch erzeugt werden, indem man Graphen in ein maximal 10 nm breites Gate „schneidet“. Messungen haben ergeben, dass eine einzelne Graphenschicht das Licht um 2,3 % abschwächt, und zwar über das gesamte sichtbare Spektrum

Graphen kann epitaktisch auf metallischen Substraten wachsen. Eine in der Literatur vorgestellte Methode ist die Zersetzung von Ethen auf Iridium.In einem weiteren Verfahren wird die Löslichkeit von Kohlenstoff in Übergangsmetallen verwendet. Beim Erhitzen löst sich der Kohlenstoff im Metall, tritt beim Abkühlen wieder heraus und ordnet sich als Graphen auf der Oberfläche an.   Eine weitere Möglichkeit der Darstellung einzelner Graphenlagen ist die thermische Zersetzung hexagonaler Siliciumcarbid-Oberflächen. Bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium verdampft das Silicium aufgrund seines (im Vergleich zu Kohlenstoff) höheren Dampfdrucks. Auf der Oberfläche bilden sich dann dünne Schichten einkristallinen Graphits, die aus wenigen Graphenmonolagen bestehen. Dieses Verfahren ist geeignet für Anlassprozesse im Vakuum und in einer Inertgasatmosphäre aus Argon.Die Dicke und Struktur des epitaktisch gewachsenen Graphens hängt dabei empfindlich von den eingestellten Prozessparametern ab, insbesondere von der Wahl der Atmosphäre und der Struktur der Substratoberfläche sowie der Polarisation der Siliciumcarbid-Oberfläche.   Große Flächen aus Graphen stellt man dadurch her, dass man eine monoatomare Schicht aus Kohlenstoff auf eine Folie aus inertem Trägermaterial, wie zum Beispiel Kupfer, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufbringt und dann das Trägermaterial auflöst. (wikipedia)

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