Neue Experimente zeigen: Im Kohlenstoff-Material Graphen sind extrem hohe Ströme möglich. So kann ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung in äußerst kurzer Zeit ausgeglichen werden.

Wieder einmal stellt sich heraus, dass Graphen ein ganz besonderes Material ist: Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Fritz Aumayr vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien konnte nun zeigen, dass die Elektronen in Graphen extrem mobil sind und äußerst schnell reagieren. Xenon-Ionen mit besonders hoher elektrischer Ladung werden auf eine Graphen-Schicht geschossen. Dadurch wird dem Graphen an einer ganz bestimmten Stelle eine große Anzahl von Elektronen entrissen. Das Material ist allerdings in der Lage, die Elektronen innerhalb von Femtosekunden wieder nachzuliefern. Dabei entstehen kurzfristig extrem hohe Ströme, die unter gewöhnlichen Bedingungen gar nicht möglich wären. Seine außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften machen Graphen zu einem wichtigen Hoffnungsträger für zukünftige Anwendungen in der Elektronik.

Neben der TU Wien waren an dem Experiment auch das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf sowie die Universität Duisburg-Essen beteiligt. Theoretische Unterstützung erhielt das internationale Team aus Paris und San Sebastian und aus dem eigenen Haus (Institut für Theoretische Physik der TU Wien).

Hochgeladene Ionen

"Wir arbeiten mit extrem hochgeladenen Xenon-Ionen", erklärt Elisabeth Gruber, Dissertantin im Forschungsteam von Prof. Aumayr. "Bis zu 35 Elektronen werden aus den Xenon-Atomen entfernt, die Atome sind also stark positiv elektrisch geladen."

Mit diesen Ionen wird ein Stück Graphen beschossen, das freitragend zwischen mikroskopisch kleinen Halterungen aufgespannt ist. "Das Xenon-Ion durchschlägt die Graphen-Schicht und kann dabei auch ein Kohlenstoff-Atom aus dem Graphen herausschlagen - doch das spielt kaum eine Rolle, in die freigewordene Lücke im Graphen setzt sich später ein anderes Kohlenstoff-Atom", erklärt Elisabeth Gruber. "Für uns ist viel interessanter, wie das hochgeladene Ion durch sein elektrisches Feld die Elektronen der Graphen-Schicht beeinflusst."

Schon vor dem Aufprall auf der Graphenschicht nämlich, während sich das hochgeladene Xenon-Ion an das Graphen annähert, entreißt es ihm durch sein extrem starkes elektrisches Feld bereits Elektronen. Bis das Ion die Graphenschicht vollständig durchquert hat, ist aus seiner über 30fachen positiven Ladung eine weniger als 10fache Ladung geworden. Mehr als 20 Elektronen kann das Ion aus einem winzig kleinen Bereich der Graphenschicht absaugen.

Das bedeutet, dass in der Graphenschicht nun Elektronen fehlen, die Kohlenstoffatome in der Gegend des Xenon-Einschlags sind positiv geladen. "Eigentlich würde man nun erwarten, dass sich diese positiv geladenen Kohlenstoff-Ionen gegenseitig abstoßen, dass sie in einer sogenannten Coulomb-Explosion davonfliegen und ein großes Loch im Material hinterlassen", sagt Richard Wilhelm vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, der derzeit als PostDoc Assistent an der TU Wien tätig ist. "Doch erstaunlicherweise ist das nicht der Fall. Die positive Ladung im Graphen wird praktisch augenblicklich ausgeglichen."

Möglich ist das nur, weil in Graphen innerhalb einer extrem kurzen Zeitspanne von wenigen Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstelsekunde) ausreichend viele Elektronen nachgeliefert werden können. "Die elektronische Antwort des Materials auf die Störung durch das Xenon-Ion kommt extrem schnell. Starke Ströme aus benachbarten Regionen der Graphen-Schicht liefern rechtzeitig Elektronen herbei, bevor es durch Abstoßung der positiven Ladungen zu einer Explosion kommt", erklärt Elisabeth Gruber. "Die Stromdichte ist ca. 1000 mal höher, als die, welche unter normalen Umständen zur Zerstörung des Materials führen würde - doch auf diesen Distanzen und Zeitskalen kann Graphen solche extremen Ströme unbeschadet überstehen."

Ultraschnelle Elektronik

Diese extrem hohe Mobilität der Elektronen in Graphen hat eine große Bedeutung für viele mögliche Anwendungen: "Die Hoffnung ist, dass man genau aus diesem Grund Graphen benutzen kann, um extrem schnelle Elektronik zu bauen. Auch für die Optik, beziehungsweise die Verbindung von optischen und elektronischen Bauteilen scheint Graphen hervorragend geeignet zu sein", sagt Aumayr.

Originalpublikation:
E. Gruber, R.A. Wilhelm, R. Pétuya, V. Smejkal, R.I. Aldazabal, A.K. Kazansky, F. Libisch, A.V. Krasheninnikov, M. Schleberger, S. Facsko, A.G. Borissov, A. Arnau, and F. Aumayr
Ultrafast electronic response of graphene to a strong and localized electric field
Nature Communications 7 (2016) 13948 (7 pages)
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms13948

Materials & Matter ist - neben Computational Science & Engineering, Quantum Physics & Quantum Technologies, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment - einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Geforscht wird von der Nanowelt bis hin zur Entwicklung neuer Werkstoffe für großvolumige Anwendungen. Die Forschenden arbeiten sowohl theoretisch, beispielsweise an mathematischen Modellen im Computer, wie auch experimentell an der Entwicklung und Erprobung innovativer Materialien.

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