Graphit verhält sich wie ein Halbleiter Heiße Elektronen in Kohlenstoff - scinexx | Das Wissensmagazin
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Graphit verhält sich wie ein Halbleiter

Heiße Elektronen in Kohlenstoff

Darstellung der Ladungsträgerdynamik in Graphit während der ersten 1.000 Femtosekunden (1 Femtosekunde=1 fs=10-15 s). Die kegelförmige Struktur zeigt die Energiezustände der Elektronen. Dabei ist die Energie des Elektrons als Funktion seines Impulses in den Richtungen kx und ky gezeigt (sog. elektronische Bandstruktur). Rot eingefärbte Zustände sind besetzt, grau gefärbte unbesetzt. Vor der Anregung durch den ultrakurzen Lichtimpuls sind die Zustände auf dem unteren Kegel vollständig besetzt. Der Lichtimpuls regt zum Zeitpunkt 0 fs einen Teil der Elektronen in den oberen Kegel an, wodurch ein Band auf dem unteren Kegel entvölkert (jetzt grau) und ein Band auf dem oberen Kegel besetzt wird (jetzt rot). Die Elektronen verlassen diese direkt angeregten Zustände innerhalb von 30 fs und besetzen als heißes Gas mit einer Temperatur von ca. 2500 °C einen breiten Bereich von Zuständen (Graphik für 30 fs). Danach kühlen die Elektronen innerhalb von 200 fs auf 500 °C ab, indem sie ihre Energie an das Kristallgitter abgeben. Dies führt zu einer Konzentration von Elektronen im unteren Teil des oberen Kegels und zu einem ähnlich breiten Bereich unbesetzter Zustände im oberen Teil des unteren Kegels. Auf einer deutlich längeren Zeitskala kehren die Elektronen aus dem oberen in den unteren Kegel zurück, wodurch die ursprüngliche Verteilung vor der Anregung wiederhergestellt wird. © MBI

Berliner Forscher haben herausgefunden, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter verhält. Die Ergebnisse sind von grundlegender Bedeutung für künftige elektronische Bauelemente aus Kohlenstoff, die hohe elektrische Spannungen oder hohe Frequenzen verarbeiten, so die Wissenschaftler.

Nanomaterialien aus Kohlenstoff besitzen einzigartige Eigenschaften, die erste Anwendungen in neuen elektronischen Bauelementen und Sensoren gefunden haben. Grundlage dieser Materialien sind atomar dünne Schichten aus regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen, zum Beispiel eine einzelne ebene Schicht in so genanntem „Graphen“ oder aufgerollte Schichten in Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Die Eigenschaften von Elektronen in solchen Strukturen sind verwandt mit denen in Graphitkristallen, die aus einem Stapel vieler Graphenschichten bestehen. Trotz intensiver Forschung ist das grundlegende Verhalten von Elektronen nicht vollständig verstanden und wird kontrovers diskutiert.

Graphit besteht aus Lagen von Kohlenstoffatomen, die in den Schichten eine regelmäßige Anordnung von Sechsecken bilden. Die chemischen Bindungen innerhalb der Lagen sind ca. 50 Mal stärker als zwischen den Schichten, weshalb diese leicht getrennt werden können. Diese Eigenschaft wird bei der Verwendung als Bleistiftmine ausgenutzt. Eine einzelne Kohlenstoffschicht bezeichnet man Graphen. © MBI

Ultrakurze Laserimpulse regen Elektronen an

Die Wissenschaftler Markus Breusing, Claus Ropers und Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut in Berlin haben jetzt das Verhalten von Elektronen in dünnen kristallinen Graphitschichten in Echtzeit untersucht. Wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, zeichneten sie die Bewegungen der Elektronen mit einer bisher unerreichten Zeitauflösung von zehn Femtosekunden – eine Femtosekunde ist das Millionstel einer Milliardstel Sekunde – auf. Dazu regten sie Elektronen mit ultrakurzen Laserimpulsen in Zustände hoher Energie an und beobachteten ihre Rückkehr zum Gleichgewicht.

Einzelne Schritte dieses Ablaufs lassen sich zeitlich trennen und so die momentane Verteilung der Elektronen auf verschiedene Zustände bestimmen. Innerhalb von 30 Femtosekunden bilden die Elektronen ein heißes Gas mit einer extrem hohen Temperatur von 2500°C aus, das im Kristall innerhalb von nur 500 Femtosekunden auf etwa 200°C abkühlt. Die dabei freiwerdende Energie wird an das Kristallgitter übertragen.

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Danach kehren die Elektronen auf einer deutlich langsameren Zeitskala in ihre ursprünglichen Zustände zurück. Diese Untersuchungen zeigen nach Angaben der Forscher erstmals eindeutig, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter, also etwa wie Silizium oder Galliumarsenid, und nicht wie ein Metall verhält.

Dynamik der Elektronen

Die beobachtete Dynamik der Elektronen hat nach Ansicht der Wissenschaftler einen starken Einfluss auf den elektrischen Transport, wie etwa Ströme, die bei hohen Frequenzen durch das Material fließen.

(idw – Forschungsverbund Berlin, 03.03.2009 – DLO)

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