09.11.10 Oberflächenunterstützte Cyclodehydrierung erlaubt Synthese von einfachen Graphen-Derivaten
Herstellung graphenartiger Materialien
Forscher haben mit einer oberflächenchemischen Methode graphenartige Materialien synthetisiert und den entsprechenden Reaktionsmechanismus im Detail aufgeklärt
Graphen gilt als Kandidat für die künftige Nanoelektronik. Methoden, mit denen sich graphenartige Materialien mit gewünschten elektronischen Eigenschaften herstellen lassen, fehlen jedoch noch. Empa-Forscher haben nun mit einer oberflächenchemischen Methode graphenartige Materialien synthetisiert und den entsprechenden Reaktionsmechanismus im Detail aufgeklärt. Die Forscher stützten sich dabei auf eine Kombination von experimentellen Untersuchungen mit Computersimulationen..
Abb. 1: Rastertunnelmikroskop-Aufnahme mehrerer Nanographene
sowie der zwei stabilen Zwischenprodukte auf einer Kupferoberfläche. Die
Molekülmodelle zeigen das Nanographen (unten rechts) sowie die beiden
Zwischenprodukte (oben und links). Der Durchmesser der Moleküle liegt in der
Realität bei etwa einem Nanometer.
Quelle: Empa
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.
Abb. 2: Die computergenerierten Bilder zeigen Details der beiden
theoretisch vorausgesagten Zwischenprodukte, die die Empa-Forschenden mit dem
Rastertunnelmikroskop beobachten konnten.
Quelle: Empa
Empa-Forscher setzen nun auf die Methode der oberflächen-unterstützten Synthese. Anhand eines prototypischen Polyphenylens hat das Forschungsteam zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz und der Universität Zürich im Detail aufgedeckt, wie der Reaktionsweg der Cyclodehydrierung auf einer Kupferoberfläche abläuft und wie sich die Bausteine zu einer planaren Graphenvorstufe kuppeln.
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.
Quelle:
Surface-assisted cyclodehydrogenation provides a synthetic route towards
easily processable and chemically tailored nanographenes
M. Treier, et. al., Nat. Chem. 2010. DOI:
10.1038/NCHEM.891
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Oberflächenunterstützte Cyclodehydrierung erlaubt
Synthese von einfachen Graphen-Derivaten
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/nov/graphen.shtm)
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