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Erstmals monolagiger, amorpher Kohlenstoff hergestellt

Forscher der National University of Singapore haben den weltweit ersten atomar dünnen amorphen Kohlenstofffilm hergestellt. Die amorphe Struktur hat im Gegensatz zu Kristallen einen stark variierenden Atom-zu-Atom-Abstand. Dies ist auf die zufällige Anordnung von Ringen mit fünf, sechs, sieben und acht Kohlenstoffatomen in einem planaren Kohlenstoffnetzwerk zurückzuführen, die zu einer breiten Verteilung von Bindungslängen und  Bindungswinkeln führt.

Die Entdeckung von Monolayer Amorphous Carbon (MAC) durch die Forschergruppe um Prof. Özyilmaz könnte eine jahrzehntealte Debatte darüber beenden, wie Atome in amorphen Festkörpern angeordnet sind und neue Anwendungen eröffnen.

„Mit MAC haben wir erstmals gezeigt, dass vollständig amorphe Materialien in einzelnen Atomlagen stabil und freistehend sein können. Amorphe Materialien sind von großer technologischer Bedeutung, aber überraschenderweise sind sie vom Standpunkt der Grundlagenwissenschaften aus kaum verstanden. Dieser Durchbruch ermöglicht die direkte Untersuchung mittels Bildgebung um aufzudecken, wie Atome in amorphen Materialien angeordnet sind, und könnte für Batterien, Halbleiter, Membranen und viele weitere Anwendungen von kommerziellem Wert sein “, sagt Prof. Özyilmaz

Die Struktur und Synthese von einschichtigem amorphem Kohlenstoff

Bei der Untersuchung amorpher Materialien gibt es zwei entgegengesetzte Lehrmeinungen. Eine besagt, dass Materialien eine ungeordnete, völlig zufällige Struktur haben können. Die andere besagt, dass es immer eine nanoskalige Nahordnung von winzigen Kristalliten gibt, die von einer zufälligen Unordnung umgeben sind. Die neu synthetisierten MAC-Filme zeigen nun die letztere Anordnung. Die Forscher fanden nanometergroße Flecken gespannter und verzerrter 6-gliedriger Kohlenstoffringe wie in Graphen, aber diese Flecken sind stets umgeben von Regionen mit einer zufälligen Störung, die auch 5-, 7- und 8-gliedrige Ringe enthalten.

Diese atomar dünnen Blätter aus amorphem Kohlenstoff werden unter Verwendung eines Lasers synthetisiert, der ein kohlenstoffhaltiges Vorläufergas zu einem atomar feinen Nebel verdampft. Dadurch werden die Kohlenstoffvorläufer zu hochreaktiven, energetischen Spezies, die spontan einen MAC-Film bilden, wenn sie auf die Oberfläche eines fast beliebigen Substrats wie beispielsweise Kupfer, Gold oder Edelstahl treffen.

Revolutionäre Eigenschaften

Dr. Toh Chee Tat, der Erstautor des Papiers, erklärt: „Das Erstaunliche an MAC ist, dass es einige Eigenschaften aufweist, die sich von denen herkömmlicher Monolayer-Materialien völlig unterscheiden.“ Eine solche außergewöhnliche Eigenschaft ist, dass MAC-Folien plastisch verformt werden können. Dies bedeutet, dass sie in unregelmäßige Formen gedehnt werden können und an die gedehnte Position angepasst bleiben. Es sei kein anderes einschichtiges Material bekannt, das eine solch signifikante plastische Verformung erlaubt. Die Tatsache, dass sich MAC auf diese Weise verhält, im Vergleich zu nanometerdicken kristallinen Materialien, die beim Strecken leicht brechen würden, vergrößert die Anzahl der möglichen industriellen Anwendungen erheblich.  „Alles, was man von atomar dünnen Kristallen kennt, trifft hier nicht zu. Es ist ein völlig neues Material, das wir untersuchen“, erläutert Dr. Toh.

Industrielle Anwendungen von einschichtigem amorphem Kohlenstoff

Bei den Experimenten zeigte sich, dass MAC viel widerstandsfähiger und preisgünstiger in der Herstellung ist als herkömmliche kristalline Folien. Das robuste, lasergestützte Abscheideverfahren zur Synthese von MAC ist in der Industrie bereits weit verbreitet und erlaubt es bei hohem Durchsatz und niedriger Temperatur einen großflächigen, fehlerfreien Monolayer-Film aufwachsen zu lassen. Das macht MAC zu einem potenziell kostengünstigen Material, das den Anforderungen der Industrie gerecht wird und für viele Anwendungen eine Alternative zu zweidimensionalen Kristallen wie Graphen darstellen kann.

Beispielsweise werden ultradünne Barrierefilme in vielen Branchen dringend benötigt - für flexible Anzeigen, Brennstoffzellen, Batterien und andere elektronische Geräte.

(Pressemitteilung NUS, bearbeitet HTZ/MMo)

Originalpublikation: Nature 577, p. 199–203 (2020)