Nanomaterial der Zukunft

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Computergeneriertes Bild mit Details von einem der beiden theoretisch vorausgesa

Computergeneriertes Bild mit Details von einem der beiden theoretisch vorausgesagten Zwischenprodukte, die mit dem Rastertunnelmikroskop beobachtet werden konnten.

Graphen gilt als Kandidat für die künftige Nanoelektronik, wie myScience.ch in einem früheren Artikel berichtet hat. Methoden, mit denen sich graphenartige Materialien mit gewünschten elektronischen Eigenschaften herstellen lassen, fehlen jedoch noch. Forschende haben nun mit einer oberflächenchemischen Methode graphenartige Materialien synthetisiert und den entsprechenden Reaktionsmechanismus im Detail aufgeklärt.

Elektronische Bauteile werden immer kleiner, sodass nach der Mikroelektronik bereits von der Nanoelektronik gesprochen wird. In diesen Dimensionen stösst Silizium, das zurzeit meistverwendete Material in elektronischen Elementen, an seine Grenzen. Neue Materialien sind gefragt. Wegen seiner aussergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften gilt Graphen, ein zweidimensionales Kohlenstoff-Netzwerk, als möglicher Ersatz. Bevor graphenartige Materialien allerdings hierfür eingesetzt werden können, sind noch einige Hürden zu überwinden. So gibt es bislang noch keine Methoden, mit denen graphenartige Materialien einfach, zuverlässig und in grossem Massstab hergestellt werden können.
Empa-Forschende setzen auf die Methode der oberflächen-unterstützten Synthese. Anhand eines prototypischen Polyphenylens hat ein Forschungsteam aufgedeckt, wie der Reaktionsweg der so genannten Cyclodehydrierung auf einer Kupferoberfläche abläuft und wie sich die Bausteine zu einem planaren Nanographen koppeln.

Erfolgreiche Partner: Experiment und Simulation
Für ihre «Aufklärungsarbeit» kombinierten die Forschenden experimentelle Beobachtungen – vor allem am Rastertunnelmikroskop – mit Computersimulationen. Diese berechnen, ob ein theoretisch denkbarer Reaktionsschritt energetisch überhaupt möglich ist. Ergebnis: Der Reaktionsweg verläuft über sechs Schritte mit fünf Zwischenprodukten, wobei die Reaktionsbarrieren zwischen diesen durch die katalytische Aktivität der Oberfläche verringert wird. Zwei Zwischenprodukte werden durch die Oberfläche derart stabilisiert, dass sie mit dem Rastertunnelmikroskop abgebildet werden konnten.

Um mit den gängigen Herstellungsverfahren der Elektronik kompatibel zu sein, eignen sich Metalloberflächen wie Kupfer allerdings nicht. Die graphenartigen Materialien müssen auf Halbleitersubstraten «wachsen».  Das Forschungsteam hat mit Simulationen deshalb auch durchgerechnet, ob dies funktionieren könnte, die Resultate weisen darauf hin. Diese Erkenntnisse sind der Schlüssel dazu, die oberflächenunterstützte Synthese als zuverlässige Methode für die Herstellung von graphenartigen Materialien zu etablieren.
Moderne Wissenschaft basiert auf Theorie, Experiment und Simulation
Die moderne Wissenschaft stützt sich neben Theorie und Experiment immer häufiger auf Computersimulationen. Diese werden komplementär zu oft aufwändigen Laborexperimenten eingesetzt und ermöglichen es den Forschenden, zusätzliche Informationen, die mit experimentellen Methoden nicht realisierbar wären, zu gewinnen. Dank Experimenten und Simulationen und den daraus abgeleiteten Theorien lassen sich Phänomene der Natur immer präziser abbilden und erklären.