"Die Forschung am einfachen Graphen hat ihren Zenit bereits überschritten", orakelt Andre Geim von der University of Manchester (England) Ende Juli 2013 in der Zeitschrift "Nature". Der Physiker sollte wissen, wovon er spricht. Schließlich hat er dieses Graphen im Oktober 2004 zum ersten Mal beschrieben und erhielt sechs Jahre später für seine Entdeckung den Nobelpreis. In den Jahren dazwischen charakterisierte er seinen Fund mit beinahe überschwänglich klingenden Sätzen: "Man stelle sich ein Blatt vor, das eine Million Mal dünner als Papier ist. So dick ist Graphen." Gleichzeitig ist das Material härter als Diamant und leitet den elektrischen Strom bis zu einer Million Mal besser als Kupfer, das bisher in den meisten Kabeln verwendet wird. Obendrein sind die nur ultradünnen Schichten aus genau einer Lage von Kohlenstoffatomen auch noch durchsichtig, Solarzellen oder Touchscreens lassen sich damit also viel einfacher als bisher herstellen.

Diese Eigenschaften in einem einzigen Molekül brachten Andre Geim bereits vier Jahre vor seinem Nobelpreis zum Schwärmen: "Es klingt unglaublich und manchmal kann ich es selbst noch nicht fassen, dass ich ein solches Material in der Hand halten kann." Ein Blick auf die Struktur dieses Wundermaterials aber zeigt rasch, dass es auch Schwächen hat: Graphen besteht ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, jedes davon hat in seiner äußeren Hülle vier Elektronen. Chemische Verbindungen können entstehen, wenn sich je ein Elektron von zwei verschiedenen Atomen zusammentun. Ein Kohlenstoffatom kann daher vier solcher "kovalenten Bindungen" mit anderen Atomen eingehen. Sind diese Partner ausschließlich andere Kohlenstoffatome, entsteht ein Diamant.

Silicen auf Silber
© Patrick Vogt, TU Berlin
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Rastertunnelmikroskopisches Bild von Silicen auf einer Silberoberfläche. Gut erkennbar sind die Dreiecke aus je drei Siliziumatomen eines Sechsringes, die aus der Ebene herausragen.

Gleichzeitig ist Kohlenstoff jedoch auch eine Art Chamäleon, das zum Beispiel statt der vier auch nur drei solcher kovalenten Bindungen bilden kann. Sind alle Partner Kohlenstoffatome, bilden sich dann Sechsecke, von denen sehr viele ähnlich wie Bienenwaben in einer Fläche aneinanderhängen. Jedes Atom in dieser Struktur hat in seiner äußeren Hülle aber noch ein Elektron, das an den Bindungen zu den Nachbar-Atomen nicht beteiligt ist. Diese Elektronen halten sich unterhalb und oberhalb der Bienenwabenstruktur auf und bilden dort eine Wolke aus Elektronen. Normalerweise verteilt sich die negative elektrische Ladung der Elektronen nicht völlig gleichmäßig in dieser Wolke. Vielmehr gibt es winzige Bereiche, die ein wenig negativer und andere Regionen, die ein wenig positiver sind. Liegen nun mehrere "Kohlenstoffbienenwaben" übereinander, ziehen sich diese geringfügig unterschiedlichen Ladungen ein wenig an. Mehrere solcher Schichten bilden daher eine "Graphit" genannte Form reinen Kohlenstoffs, die in der Natur recht häufig vorkommt.

Der Trick mit dem Klebeband

Allerdings sind die van-der-Waals-Kräfte, die zwischen den Elektronenwolken herrschen, erheblich geringer als die Kräfte, die kovalente Bindungen zusammenhalten. Daher ist der Zusammenhalt innerhalb der Bienenwaben rund 60-mal stärker als zwischen den Ebenen. Deshalb kann man die einzelnen Schichten auch relativ leicht gegeneinander verschieben. Andre Geim und sein Kollege Konstantin Novoselov gelang es daher 2004 an der University of Manchester, mit Hilfe eines Klebebandes einzelne Bienenwabenschichten von einem hochreinen Graphit abzulösen. Solche ultradünnen "2-D-Materialien" aus einer einzigen Atomlage kannte man vorher nicht, ihre Entdeckung war eine Sensation.

In den Wolken oberhalb und unterhalb der Atomschicht können sich die einzelnen Elektronen dann völlig frei bewegen – Graphen leitet also den elektrischen Strom hervorragend. Das wiederum lässt zwar die Herzen von Ingenieuren höher schlagen, die Elektrizität mit möglichst geringen Verlusten transportieren wollen. Computerspezialisten oder die Hersteller von Solarzellen aber sind von solchen Superleitern nicht ganz so begeistert, weil ihre Technik am besten mit Halbleitern funktioniert, die Strom viel schlechter transportieren, sich aber besser ein- und ausschalten lassen.

Bei Silizium beispielsweise, aus dem nicht nur Solarzellen, sondern eben auch die winzigen Schalter in Computerchips bestehen, lässt sich mit Hilfe einer elektrischen Spannung steuern, ob das Material Strom leitet oder nicht. Seine Atomstruktur aber ähnelt der des Kohlenstoffs. Beide haben in ihrer äußeren Hülle vier Elektronen, die jeweils eine Bindung zu Nachbar-Atomen eingehen können. Allerdings gibt es auch einen gravierenden Unterschied. Silizium geht viel seltener als Kohlenstoff Verbindungen mit nur drei Nachbarn ein. Eine ähnliche Form wie Graphit mit einem nur schwachen Zusammenhalt zwischen den einzelnen Schichten gibt es für Silizium daher nicht.

Silicen

Deshalb klappt beim Silizium auch die Klebebandmethode nicht, mit der Konstantin Novoselov und Andre Greim das erste Graphen hergestellt haben. Erst als Patrick Vogt von der Technischen Universität Berlin und seine Kollegen 2012 gasförmiges Silizium sorgfältig auf einer glatten Oberfläche kondensieren ließen, stellten sie eine ähnliche Siliziumschicht her, die aus einer einzigen Atomlage besteht. Dieses "Silicen" könnte sich durchaus eignen, in modernen Computerchips schneller als herkömmliche Transistoren zu schalten. Obendrein ist die Methode, ein Material zu verdampfen und das Gas gezielt auf einer Oberfläche niederzuschlagen als "Epitaxie" eine in der Halbleitertechnik gut etablierte Methode, Silicen könnte also im Prinzip so auch in der Technik hergestellt werden.

Bänder aus Graphen
© Cai, J. et al.: Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons. In: Nature 466, S. 470-473, 2010, fig 4
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Im Vergleich mit Graphen aber zeigen sich erhebliche Unterschiede. "Silicen lässt sich bisher nur als theoretisches Modell als 2-D-Material beschreiben", erklärt Hermann Sachdev vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. Sein Einwand: Bisher existiert die einlagige Siliziumschicht ausschließlich auf einer Unterlage. Es handelt sich demnach um eine ultradünne Oberflächenschicht, also eher um eine chemische Verbindung zwischen Silizium und der Unterlage als um freies Silicen. Und das wird wohl abgesehen von winzigen 2-D-Bruchstücken, die sich unter speziellen Bedingungen vermutlich als Gas herstellen lassen, auch so bleiben. Das zentrale Silicenproblem: "Mehrfachbindungen zwischen zwei Siliziumatomen sind viel reaktiver als zwischen zwei Kohlenstoffatomen", sagt Sachdev. Könnte man also die einlagige Siliziumschicht von ihrer Unterlage ablösen und hielte dann ein ähnliches ultradünnes 2-D-Material wie Graphen in der Hand, hätte man kaum lange Freude daran. Haltbar wäre dieses Silicen nämlich nicht, weil es rasch mit Luftfeuchtigkeit und anderen Substanzen der Umgebung reagieren würde. Graphen dagegen ist an der Luft zumindest bis zu Temperaturen von ein paar Hundert Grad Celsius stabil.

2-D-Materialien, die keine sind

Das Gleiche gilt natürlich auch, wenn man den Kohlenstoff im Graphen nicht durch Silizium, sondern durch das in der Elektronenstruktur ebenfalls ähnliche Germanium ersetzt, das früher ebenfalls in der Halbleitertechnik eingesetzt wurde. Echte freie 2-D-Materialien lassen sich damit nicht herstellen.

Ähnliche Probleme haben – allerdings aus anderen Gründen – etliche weitere 2-D-Materialien, über die Nanoforscher diskutieren. Dabei handelt es sich anders als bei Graphen und Silicen nicht um Verbindungen aus einem einzigen Element, sondern aus unterschiedlichen Atomen. Das wichtigste Beispiel ist wohl Molybdänsulfid. Weitere Verbindungen sind Wolframsulfid, Wolframselenid, Molybdänselenid und einige weitere. Diese Substanzen lassen sich zwar durchaus ohne Unterlage herstellen. Echte Ein-Atom-Schichten aber entstehen dabei nicht. "Es handelt sich vielmehr um Lagen aus positiv geladenen Molybdän- oder Wolframionen, darüber und darunter liegen seitlich versetzt je eine Schicht aus negativ geladenen Schwefel- oder Selenionen", erklärt Sachdev. Das Ganze ist damit schon einmal drei Atomlagen dick. Weil sich die entgegengesetzt geladenen Atomlagen kräftig anziehen, sind solche Ionenbindungen zwar sehr fest. Die Oberfläche dieser Materialien aber zieht Moleküle wie zum Beispiel Wasser, in denen die elektrische Ladung ungleich verteilt ist, beinahe magisch an. In feuchter Luft sind sie also rasch von anderen Molekülen bedeckt.

Ein gravierender Nachteil, wie auch Andre Geim erklärt. Rasch beginnen chemische Reaktionen, die das Material verändern. Der Physiker im englischen Manchester schlägt daher vor, mehrere solcher 2-D-Materialien übereinander zu stapeln, die von van-der-Waals-Kräften zusammengehalten werden. Zumindest die inneren Schichten sind in solchen Van-der-Waals-Materialien dann vor Angriffen von außen geschützt. Allerdings handelt es sich dann genau genommen auch nicht mehr um reine 2-D-Materialien. Wie man diese Stapel herstellen könnte, aus denen neuartige Bauelemente produziert werden könnten, lässt der Forscher allerdings weitgehend offen.

Ein Ass im Ärmel

Bleibt also nur das bereits 2004 entdeckte Graphen als echtes 2-D-Material übrig? Nicht ganz. Hermann Sachdev zieht noch einen Trumpf aus dem Ärmel: Bornitrid. Diese Verbindung aus den beiden Elementen Bor und Stickstoff ähnelt reinem Kohlenstoff verblüffend. Chemiker wundert das nicht, schließlich sind Bor und Stickstoff die linken und rechten Nachbarn von Kohlenstoff im Periodensystem. Ersetzt man also jedes zweite Kohlenstoffatom durch Bor und die anderen durch Stickstoff, erhält man Bornitrid, das entweder der Kohlenstoffverbindung Diamant ähnelt oder eben Graphit. Tatsächlich baut sich β-Bornitrid genau wie ein Diamant auf und ist nach diesem das zweithärteste Material, das Werkstoffforscher bisher untersuchen konnten. α-Bornitrid dagegen hat die gleiche Schichtstruktur wie Graphit. Und diese einzelnen Bornitridschichten lassen sich tatsächlich isolieren und bilden ein echtes 2-D-Material, das Bornitren. "Die Eigenschaften der Elektronen in dieser ultradünnen Schicht sind allerdings ganz anders als beim Graphen", sagt Hermann Sachdev. Der entscheidende Unterschied zum "Wundermaterial": Es fehlt eine Elektronenwolke über und unter der Schicht. Bornitrid leitet daher elektrischen Strom nicht. Aber auch solche Isolatoren sind für die Elektronik sehr wichtig.

Dotiertes Graphen und Bänder

Eine echte Alternative zum Graphen mit dem Vorteil, dass sich bei ihr der elektrische Strom ähnlich gut wie im Silizium an- und ausschalten lässt, ist bisher also noch nicht gefunden. Allerdings liefert Bornitrid einen entscheidenden Hinweis, wie Forscher Graphen verändern können, um es besser in der Halbleitertechnologie einsetzen zu können. Diese "Gebrauchsanweisung für ein schnelleres Silizium" ist ganz einfach. Ersetzt man anders als im Bornitrid nicht alle, sondern nur einzelne Kohlenstoffatome entweder durch Bor oder in anderen Materialien durch Stickstoff, verändern diese "Dotierungen" den Elektronenfluss so, dass Graphen bald ähnlich wie auch Silizium Halbleitereigenschaften bekommt. Obendrein ist Dotieren eine gut erprobte Technik, ohne die weder die Produktion von Solarzellen noch die Herstellung von Computerchips auskommt. Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz arbeitet daher die Gruppe um Direktor Klaus Müllen, in der auch Hermann Sachdev forscht, an genau solchen Techniken.

Von Klaus Müllen stammt auch ein anderer Hinweis, Graphen halbleitertauglich zu machen: Mit relativ einfachen chemischen Reaktionen stellt die Gruppe inzwischen Graphenbänder, so genannte Nanoribbons, her. Auch sie verbinden die guten Elektronenflusseigenschaften des Graphens mit dem Halbleiterverhalten, auf das sich die moderne Elektronikwelt gründet. Vielleicht ist also der Zenit in der Graphenforschung doch noch nicht erreicht? Der Chemiekonzern BASF hat jedenfalls im September 2012 gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung ein Labor für Graphenforschung eröffnet: das "Carbon Materials Innovation Center". Auch die Europäische Union hat ein langfristiges Forschungsprogramm rund um das Graphen aufgelegt, das am Ende Fördergelder von bis zu einer Milliarde Euro erhalten soll. Dort werden nicht nur die Möglichkeiten dieses 2-D-Materials in der Halbleitertechnologie ausgelotet, sondern auch sein alternativer Einsatz in Energiespeichern der Zukunft erprobt. Vielleicht begegnet uns das Graphen also demnächst tatsächlich in unseren Smartphones – wenn schon nicht im Chip, dann vielleicht in ihrem Akku.