Elektronische Struktur von Graphen-Nanoflocken

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Busse
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 107727856

Graphen entsteht, sobald man seine Struktur mit einem Bleistift skizziert, da es sich bei diesem Material um eine einzelne der vielen Kohlenstoffschichten handelt, die zusammen das Mineral Graphit bilden. Im Graphen sind die Kohlenstoffatome zu einer zweidimensionalen Struktur verbunden, bei der jedes Atom drei Nachbarn hat und so eine Honigwaben-Geometrie entsteht. Diese Anordnung der Atome führt auch zu einem besonderen Verhalten der Ladungsträger in Graphen: Sie bewegen sich im Material, als ob sie masselose, relativistische Teilchen wären (Dirac-Elektronen).Ein Schlüsselprozess zur Herstellung dieses neuen Materials ist das epitaktische Wachstum auf Metalloberflächen. Diese Methode soll in unserem Forschungsprojekt angewendet werden. Im Speziellen benutzen wir das Übergangsmetall Iridium als Substrat, da hier das Wachstum von perfekten Schichten möglich ist, die in ihren geometrischen und elektronischen Eigenschaften freistehendem Graphen sehr ähnlich sind. Daher ist dieses System ideal geeignet, um experimentelle Studien zu den fundamentalen Eigenschaften dieses Materials durchzuführen, wie die Anbindung an ein Substrat, die Wechselwirkung mit anderen Atomen oder Molekülen und die Beeinflussung der elektronischen Struktur durch Verringerung der Systemgröße oder der Dimension. In unserem Forschungsprojekt untersuchen wir die Einlagerung (Interkalation) von Fremdatomen zwischen der Kohlenstoffschicht und der Metalloberfläche als einen effektiven Mechanismus, um die Eigenschaften von Graphen zu modifizieren: Die interkalierten Atome können sowohl als Elekt-ronendonatoren wie auch als Akzeptoren wirken. Auch die mechanischen Eigenschaften werden durch Interkalation stark verändert: Nur nach Einlagerung von schwach wechselwirkenden Atomen lässt sich das Graphen von dem Metall ablösen. Es wird sogar vermutet, dass man durch Interkalation Supraleitung in Graphen hervorrufen kann.In Graphen-Nanostrukturen (Nanoflocken) können Elektronen auf kleinstem Raum eingesperrt werden Dieses Quantum Confinement erzeugt Muster in der Elektronendichte, die stehenden Wasserwellen ähneln. Allerdings ist der Ursprung dieser Muster unklar, da sie sowohl von den Dirac-Elektronen des Graphen als auch von den Elektronen im Metall verursacht werden könnten. Wir werden diese Frage mit Hilfe der Interkalation beantworten. Durch die Vergrößerung des Abstands bei Einlagerung von z. B. Sauerstoff sollten die Beiträge der Metall- und Graphenelektronen voneinander getrennt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Klaus Meerholz; Professor Dr. Thomas Werner Michely