Winzige Falten in Graphen verändern elektrische Eigenschaften
Forscher der Rice University haben gezeigt, dass winzige Falten im Graphen die elektrischen Eigenschaften des Materials verändern können. Damit liefern sie einen Beweis für die Flexoelektrizität – ein Phänomen, bei dem ein Material eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es ungleichmäßig gebogen wird. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht.
Forscher der Rice University haben gezeigt, dass winzige Falten im Graphen die elektrischen Eigenschaften des Materials verändern können.
Image courtesy of Ajayan lab/Rice University
Die Entdeckung legt nahe, dass Wissenschaftler möglicherweise in der Lage sind, die Elektrizität in atomar dünnen Materialien zu steuern, indem sie deren Form verändern, anstatt neue Chemikalien oder Materialien hinzuzufügen. Dieser Ansatz könnte eines Tages zu empfindlicheren Sensoren und ultradünnen elektronischen Bauelementen führen.
„Unsere Arbeit zeigt, dass selbst eine gewöhnliche Falte auf atomarer Ebene betrachtet zu einer außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaft werden kann“, sagte Pulickel Ajayan, Benjamin M. und Mary Greenwood Anderson-Professor für Ingenieurwissenschaften und Mitautor der Studie. „Indem wir nachweisen, dass allein die Geometrie das elektrische Verhalten von Graphen verändern kann, eröffnen wir einen neuen Weg für die Entwicklung von Materialien, deren Eigenschaften durch die Struktur statt durch die Chemie gesteuert werden können.“
Ein genauer Blick auf winzige Falten
Graphen ist eine nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht. In dieser Arbeit untersuchte das Team natürlich entstandene Falten, deren Krümmungen auf Räume von weniger als einem Milliardstel Meter komprimiert sind, wo die extreme Krümmung Elektronen zu einer Seite des Materials verlagern kann.
„Stellen Sie sich vor, Sie biegen ein flexibles Lineal, nur dass die Biegung in einen Raum gequetscht ist, der kleiner ist als ein Milliardstel Meter“, sagte Sathvik Ajay Iyengar, ein ehemaliger Doktorand an der Rice University und Erstautor der Studie. „In diesem Maßstab verschieben sich die Elektronen im Graphen leicht zu einer Seite hin, wodurch zwei entgegengesetzte elektrische Pole entstehen, ähnlich wie die Pole einer winzigen Batterie.“
Das Forschungsteam verwendete spezielle Mikroskopsonden, um die Form der Falten, die lokale elektrische Energie und den elektrischen Strom zu messen. Außerdem setzten sie die Raman-Spektroskopie ein – eine laserbasierte Technik, die Aufschluss darüber gibt, wie Atome gedehnt oder zusammengedrückt werden – sowie Computersimulationen, die vorhersagten, wie die Biegung die Bewegung der Elektronen verändert. Durch den Vergleich stark gekrümmter Falten mit benachbartem flachem Graphen gelang es dem Team, die Auswirkungen der Krümmung zu isolieren.
„Frühere Studien untersuchten oft sanftere Krümmungen oder stützten sich auf äußeren Druck, wodurch sich dieser subtile Effekt nur schwer isolieren ließ“, sagte Iyengar. „Der Vergleich der stark gekrümmten Falten mit flachem Graphen ermöglichte es uns, die Rolle der extremen Krümmung eindeutig zu identifizieren.“
Form verändert das elektrische Verhalten
Die Forscher fanden heraus, dass die Falten wie Reihen winziger elektrischer Bremsschwellen wirkten. Ihre stark gekrümmten Spitzen veränderten die lokale elektrische Energie und erzeugten bei Anlegen einer Spannung von etwa einem Volt durchweg einen elektrischen Strom, was weitgehend mit den Vorhersagen der Computermodelle übereinstimmte.
Die elektrische Reaktion hing eher von der Schärfe der Falten als von ihrer Höhe ab. Die Forscher schätzten, dass die daraus resultierende Trennung der elektrischen Ladungen – die sogenannte Polarisation – zwischen 100.000 und 10 Millionen Mal stärker war als in wesentlich größeren flexoelektrischen Systemen. Polarisation ist die Trennung positiver und negativer elektrischer Ladungen innerhalb eines Materials.
„Die Schärfe der Falte erwies sich als viel wichtiger als ihre Gesamtgröße“, sagte Iyengar. „Das zeigt uns, dass wir das elektrische Verhalten potenziell durch sorgfältige Steuerung der Krümmung im Nanobereich abstimmen können.“
Von der Vorhersage zum Beweis
Die Entdeckung geht auf das Jahr 2008 zurück, als der theoretische Physiker Vincent Meunier vorhersagte, dass stark gebogenes Graphen seine Elektronen neu anordnen und eine elektrische Reaktion hervorrufen könnte. Meunier, heute Inhaber des P. B. Breneman-Lehrstuhls und Leiter des Fachbereichs für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Pennsylvania State University, ist Mitautor der Studie. Damals war es äußerst schwierig, diesen Effekt an Biegungen zu messen, die nur wenige Atome breit waren.
Jahre später untersuchte Iyengar erneut Daten, die er gemeinsam mit Manoj Tripathi – einem Mitautor an der University of Sussex, der mittlerweile an der South Dakota Mines tätig ist – gesammelt hatte, und entdeckte ungewöhnliche elektrische Signale an den schärfsten Graphenfalten. Er legte die Ergebnisse Meunier vor, der seine Doktorarbeit mitbetreut hatte.
„Als Sathvik mir die Messdaten zeigte, die er und Manoj gesammelt hatten, wurde uns klar, dass die ungewöhnlichen Signale einen experimentellen Zusammenhang zu einer Idee herstellen könnten, die wir viele Jahre zuvor vorhergesagt hatten“, sagte Meunier. „Durch die Kombination der Experimente mit Berechnungen auf atomarer Ebene konnten wir diesen Zusammenhang direkt überprüfen.“
Neue Möglichkeiten für die Elektronik erschließen
Die Forscher erklärten, die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen zu untersuchen, ob die Steuerung der Krümmung von Graphenfalten eine Möglichkeit bieten könnte, das elektrische Verhalten des Materials anzupassen. Dieser Ansatz könnte letztendlich die Entwicklung empfindlicherer Sensoren und ultradünner elektronischer Bauelemente unterstützen.
„Die Natur schafft diese winzigen Falten bereits für uns“, sagte Iyengar. „Das Verständnis, wie sie das elektrische Verhalten beeinflussen, gibt Wissenschaftlern ein weiteres Werkzeug an die Hand, um zukünftige Technologien unter Nutzung der Struktur des Materials selbst zu entwickeln.“
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