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Polymer mit Honigwabenstruktur erzeugt

Physiker stellen graphenähnliches Material her

Rastertunnelaufnahme des zweidimensionalen porösen Polymers (linker Bildteil) mit überlagertem Strukturmodell (rechter Bildteil; blaugrün: Kohlenstoff; weiss: Wasserstoff; grau: Silberoberfläche). © Empa

Zweidimensionale Kohlenstoffschichten, so genanntes Graphen, gelten als mögliches Ersatzmaterial für Silizium in der Halbleitertechnologie. Physikern ist es nun erstmals gelungen, ein graphenähnliches Polymer mit atomarer Genauigkeit zu synthetisieren. Sie berichten über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Chemical Communications“.

Graphen besteht aus einer zweidimensionalen Kohlenstoffschicht, in der die Kohlenstoffatome in Sechsecken angeordnet sind, was an Honigwaben erinnert. Aufgerollt entstehen aus Graphen Kohlenstoffnanoröhrchen, beim Stapeln von Schichten Graphit. Graphen verfügt über einige ganz besondere Eigenschaften: Es ist härter als Diamant, extrem reißfest und ein hervorragender Wärmeleiter.

Löcher verändern elektronische Eigenschaften

Zudem ist Graphen undurchlässig für Gase, was es als luftdichtes Verpackungsmaterial interessant macht. Wegen seiner außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften gilt Graphen zudem als mögliches Ersatzmaterial für Silizium in der Halbleitertechnologie.

Durch Einbauen von Löchern mit kontrollierter Größe und Verteilung sollten sich die elektronischen Eigenschaften gezielt einstellen lassen. Deshalb wird weltweit intensiv an der Synthese und Charakterisierung zweidimensionaler graphenähnlicher Polymere geforscht.

Innentitelblatt von "Chemical Communications", Nummer 45, 7. Dezember 2009, das die Herstellung des bienenwabenähnlichen porösen Polymers via Kopplung von chemisch funktionalisierten Molekülen illustriert. © Empa / Chemical Communications

„Bottom-up“-Synthese auf Metalloberfläche

Zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz konnten Empa-Wissenschaftler nun erstmals ein graphenähnliches Polymer mit wohldefinierten Poren synthetisieren. Dazu ließen die Forscher molekulare Bausteine aus funktionalisierten Phenylringen auf einer Silberoberfläche zu einer zweidimensionalen Struktur zusammenwachsen.

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So entstand ein poröses Graphen, dessen Poren nur wenige Atome im Durchmesser aufweisen und dessen Muster sich im Subnanometer-Massstab wiederholt.

Zweidimensionales Netzwerk

Bislang wurden poröse Graphene in lithografischen Prozessen hergestellt, indem Löcher nachträglich in die Graphenschicht geätzt wurden. Diese Löcher waren viel größer als nur wenige Atome, nicht so dicht beieinander und wesentlich weniger präzise als mit dem nun gewählten bottom-up-Ansatz der molekularen Selbstorganisation.

Durch chemisch definierte Bildungsstellen koppelten die molekularen Bausteine nach Angaben der Forscher selbstständig aneinander zu einem regelmäßigen zweidimensionalen Netzwerk. Dadurch können graphenähnliche Polymere mit so feinen Poren synthetisiert werden, wie sie mit anderen Verfahren nicht zu erreichen sind.

(idw – Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, 23.11.2009 – DLO)

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