Graphen – Wie eine atomdicke Schicht die Welt verändern kann

Kann Graphen die Welt verändern?

Kein Atom kommt in einer so komplexen Verbindungsvielfalt auf unserem Planeten vor wie Kohlenstoff. In Eiweißen, Fetten und Kohlenhydraten erhält es uns am Leben, als Kohlenstoffdioxid verlässt es unseren Körper und tritt erneut in den Kreislauf des Lebens ein. Doch genauso vielfältig ist Kohlenstoff in seiner Reinstform. Eine dieser Formen ist Graphen, ein bis 2004 für die meisten Menschen noch völlig unbekanntes Material.

Dies änderte sich schlagartig, als der Nobelpreis für Physik im Jahre 2010 an ein Team der Universität von Manchester für „bahnbrechende Experimente in Bezug auf das zweidimensionale Material Graphen“ verliehen wurde. Es war nun plötzlich in aller Munde, und viel wurde über mögliche Anwendungen dieses neuen Supermaterials spekuliert. Verliehen wurde der Nobelpreis an Andre Geim und Konstantin Novoselov, die einige Jahre zuvor mit einem gewöhnlichen Klebeband Graphen von Graphit eines normalen Bleistifts isolieren konnten. Zwar hatte man zu diesem Zeitpunkt bereits andere Methoden ausprobiert (und patentiert), jedoch lieferten diese entweder nur Graphen in schlechter Qualität oder die Methoden waren sehr kompliziert, weshalb man zum Schluss kam, dass freistehendes Graphen und andere zweidimensionale Materialien nicht stabil seien.

Was ist Graphen?

Graphen besteht aus einer einfachen Lage Kohlenstoff-Atome (ca. 0,3 nm dick), die in einem gewöhnlichen hexagonalen Gitter aneinandergebunden sind. Daher gehört es zu den zweidimensionalen Materialien. Man nennt diese Struktur auch Honigwabenstruktur. Im Gegensatz dazu steht Graphit, das man vom Bleistift kennt. Es besteht aus mehreren einlagigen Kohlenstoffatomschichten und bildet somit eine dreidimensionale Struktur. Dabei hat jede Schicht grundsätzlich dieselbe Struktur wie Graphen. Im Gegensatz zu Graphen kommt Graphit aber auch natürlich vor. Wenn ein chemisches Element in verschiedenen Formen existieren kann, die durch unterschiedliches Anordnen der Atome entstehen, nennt man sie Allotrope. Kohlenstoff existiert in einer ungewöhnlichen Vielzahl von Allotropen: Diamant, Lonsdaleit, amorpher Kohlenstoff, Carbyne, Fullerene wie C60, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen und seit neustem Q-Carbon. Viele dieser Materialien wurden erst in den letzten Jahrzehnten entdeckt.

Obwohl viele Allotrope des Kohlenstoffs nützliche Eigenschaften besitzen, zieht Graphen wohl die meiste Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich. Der Grund dafür sind seine einzigartigen elektrischen Eigenschaften, die dadurch entstehen, dass sich die Elektronen aufgrund der Anordnung der Kohlenstoff­atome zueinander auf eine spezielle Weise durch das Material bewegen, als hätten sie keine Masse und deshalb fast mit Lichtgeschwindigkeit reisen können. Daraus resultieren Eigenschaften wie eine sehr hohe Leitfähigkeit, die etwa um das Eineinhalbfache größer ist als die des Kupfers, bei einer gleichzeitigen sehr hohen optischen Transparenz.

Transparent – Leitfähig – Reißfest

Diese seltene Kombination macht Graphen zu einem vielversprechenden Kandidaten für transparente Elektroden. Aktuelle Entwicklungen haben bereits großflächige Graphenelektroden mit einem niedrigen Schichtwiderstand von etwa 60 Ω/Fläche bei einer Transparenz von 85 Prozent realisiert. Andere nützliche, aber eher theoretische Eigenschaften von Graphen sind hohe Festigkeit und Elastizität. Graphen ist so reißfest, dass man eine 2×2 m² große Decke aufspannen, einen Bleistift in der Mitte aufstellen und darauf einen Elefanten setzen könnte. Die Graphen­decke würde nicht reißen! Darüber hinaus kann man Graphen um bis zu 20 Prozent dehnen, sodass es das einzige leitfähige Material ist, welches genauso elastisch wie die menschliche Haut ist. Graphen ist sehr flexibel und kann sogar gefaltet werden, ohne daran Schaden zu nehmen. Leider ist es bisher noch nicht gelungen, diese Eigenschaften in großflächigem Graphen zu erreichen, da diese Eigenschaften nur für die „perfekte“ Graphenstruktur gelten und die Wahrscheinlichkeit, dass ein Defekt während der Herstellung vorliegt, mit der Flächengröße stetig steigt. Solche Defekte entstehen z. B. dadurch, dass sich die hauchdünne Schicht übereinander faltet, einreist oder kleine Löcher herausgerissen werden. Außerdem bleiben andere Stoffe sehr gut am Graphen haften und verunreinigen es, sodass die meisten Experimente im Labor nur ganz kleine Stückchen des Materials nutzen, die man sich unter dem Mikroskop anschauen muss.

(a) Die Kohlenstoffatome sind zueinander mit einem Winkel von 120° ausgerichtet, also sp²-hybridisiert. Dadurch sind die Doppelbindungen delokalisiert und die π-Elektronen befinden sich ober- und unterhalb der Kohlenstoffebene. (b) Dadurch können sich die π-Elektronen ungehindert bewegen, welches die Leitfähigkeit von Metallen übertreffen kann. © Fraunhofer-Institut FEP

Graphen mit wenigen Defekten herstellen

Offensichtlich ist es nicht besonders effizient, große Flächen Graphen mit Klebeband und Bleistiften herzustellen, deshalb hat man andere Fertigungsmethoden in Betracht gezogen. Das GLADIATOR-Projekt der EU untersucht Wege, um Graphen großflächig und erschwinglich herzustellen. Dazu wird eine Technik genutzt, die als chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) bekannt ist. Graphen wächst hier bei einer Temperatur von 900 °C auf einem Metallkatalysator. Ziel des Projektes ist es, Graphen auf einer großen Fläche herzustellen und es dann als transparente Elektrode für zukünftige Beleuchtungsmittel nutzen zu können. Die CVD-Technik ermöglicht, Graphen für etwa 30 EUR/m² produzieren zu können. Kein Vergleich zu den Kosten konventioneller transparenter Elektroden, die groß angelegten Bergbau und den Import von Seltenen Erden benötigen, wohingegen CVD-Graphen aus einfachen Gasen wie Methan, Acetylen und Wasserstoff mit Hilfe von Kupferkatalysatoren hergestellt werden kann. Der Preis von Graphen reduziert sich enorm, wenn es in größeren Flächen hergestellt wird. Im EU-Projekt wird mit DIN-A4 großen Graphenelektroden experimentiert. Des Weiteren wurde schon gezeigt, dass man Graphenflächen aneinanderreihen kann, um noch größere Graphenplatten zu bauen, die man für Leuchtplatten und große Displays benötigt. Andere zweidimensionale Materialien wie hexagonales Bornitrid oder Übergangsmetall-Dichalcogenide werden intensiv untersucht und es ist noch zu früh um zu sagen, welche Materialien und Produktionsmethoden es in die Anwendung schaffen werden.

Wo wir Graphen schon heute finden können?

Obwohl es noch nicht gelungen ist, perfekte, defektfreie Graphenflächen von der Größe einer menschlichen Hand herzustellen, gibt es bereits einige Anwendungen, wo Graphen bereits genutzt wird, um die mechanischen, thermischen oder elektrischen Eigenschaften einiger Produkte zu verbessern. Zum Beispiel wird Gra­phen bereits in einigen Sportartikeln wie Tennisschlägern beigemengt, um deren mechanische Eigenschaften zu verbessern. Ebenfalls wird es Lacken beigemischt, um deren Korrosions­schutz zu erhöhen. Auch können viele Elektroden für Batterieanwendungen veredelt werden, die dadurch kurze Ladungszyklen ermöglichen und die Lebensdauer erheblich verbessern. Hinsichtlich einer Anwendung als transparente Elektrode wird Graphen bereits für das Touchdisplay von einigen Smartphones genutzt, da für die Touchfunktion die Anforderungen an den Schichtwiderstand nicht ganz so hoch sind wie für klassische Elektrodenanwendungen. Der Vorteil: Graphen kann beim Herunterfallen nicht brechen und die Touchfunktion bleibt erhalten.

Was wir aus der Grundlagenforschung nutzen werden?

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt vieles über Graphen gelernt und dabei eine völlig neue Materialklasse, die sogenannten zweidimensionalen Materialien (2D materials), aus dem Dornröschenschlaf geholt. Viele Effekte, die man häufig nur in der Theorie beschreiben konnte, ließen sich nun experimentell untersuchen und nachweisen, sodass die Modelle in der Quantenphysik und -chemie weiterentwickelt werden können. Die Eigenschaften von Graphen werden vor allem in den nächsten drei bis fünf Jahren in Anwendungen genutzt werden, wo geringes Gewicht und Flexibilität im Vordergrund stehen. Deshalb waren wir im EU-Projekt daran auch interessiert, transparente und vollflexible organische LEDs zu bauen, die Graphen als transparente Elektrode nutzen. Darüber hinaus wurden auch signifikante Fortschritte auf dem Gebiet der Sensorik erzielt, die auch hier eine zeitnahe Anwendung erwarten lassen.

Fazit

Graphen wird allmählich die Eigenschaften bestehender Produkte verbessern, auch wenn dies weniger spektakulär und langsamer geschehen wird, als zunächst erhofft. Aber je mehr wir das Graphen und seine Herstellung verstehen, werden auch völlig neue Produkte realisierbar, an die wir jetzt noch nicht denken. Es ist nur eine Frage der Zeit!

Dr. Beatrice Beyer

Weitere Informationen

Chemie des Graphens
Von Graphit zu Graphen
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
GLADIATOR-Projekt