[01.12.2011] Graphen, der einzige zweidimensionale Feststoff, ist an sich ein hervorragender elektrischer Leiter. Doch muss nutzbares Graphen über Kontakte elektrisch an die Umgebung angebunden sein – das kann sich nachteilig auf die Leitfähigkeit auswirken. Ein Team um Prof. Gerd Bacher und Dr. Wolfgang Mertin hat nun erstmals nanometergenau den Widerstand an den Kontaktstellen gemessen und seine Ergebnisse in „Nano Letters“ veröffentlicht.

Graphen ist schon jetzt in Superkondensatoren, Touchscreens und zum Beispiel als Elektrodenmaterial in Batterien im Einsatz. Für sich genommen hat es hervorragende elektrische Eigenschaften, aber in der Realität muss es stets mit anderen Materialien in Kontakt stehen, um elektrisch angebunden zu sein. Der Widerstand an dieser Kontaktstelle kann erheblichen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Bauelements haben, bloß hatte ihn bisher niemand zufriedenstellend messen können. Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, arbeitete die Arbeitsgruppe von Dr. Wolfgang Mertin, Mitglied des Centers for Nanointegration Duisburg-Essen (CeNIDE), mit der renommierten amerikanischen Universität Princeton zusammen.

Die Wissenschaftler in Princeton stellten mittels Thermischer Exfolierung funktionalisiertes Graphen her. Bei dieser Methode wird das Ausgangsmaterial Graphitoxid erhitzt, bis es quasi explodiert. Auf den dabei entstehenden Graphenflocken setzen sich Fremdatome ab, die als funktionelle Gruppen die Leitfähigkeit verändern. Das so entstehende funktionalisierte Graphen weist eine teilweise ungleichmäßige Gitterstruktur auf und ist aufgrund der aufsitzenden Fremdatome nicht mehr komplett plan, sondern knitterig wie einmal zusammengeknüllte und wieder geglättete Alufolie. Im Gegensatz zu hochreinem Graphen ist die Produktion des funktionalisierten Pendants jedoch in industrierelevanten Mengen möglich.

Um nun den Widerstand an der Kontaktstelle zwischen dem ungleichmäßigen Graphen und der Elektrode realistisch zu ermitteln, ist eine Messung notwendig, die auch bei winzigen Abständen ortsgenaue Daten liefert. Die Arbeitsgruppe Mertin verfügt über ein „Kelvin Probe Force Microscope“, kurz KPFM, mit dem sich Topographie und elektrisches Potenzial einer Probe kontaktlos und auf 15 nm genau in einem Schritt bestimmen lassen. „Es gibt nur sehr wenige Forschergruppen in Deutschland, die diese Messungen durchführen können“, erklärt Mertin. „Ein KPFM zu kaufen, bedeutet noch lange nicht, dass man es auch sinnvoll anwenden kann. Dafür ist viel Übung und Eigeninitiative nötig.“ Seine Arbeitsgruppe, die seit 1990 elektrische Messmethoden verwendet und auf elf Jahre Erfahrung mit dem KPFM zurückblicken kann, hat bereits eigene Messmethoden entwickelt, indem die Forscher eigene Bauteile konstruiert und verwendet haben. So entstand die Kooperation zwischen Princeton und der UDE: Die Amerikaner stellten die Proben zur Verfügung, CeNIDE-Mitglied Mertin und sein Team untersuchten den Widerstand.

Das Ergebnis: Sowohl die verwendete Titan-Gold-Elektrode als auch die funktionellen Gruppen beeinflussen die Leitfähigkeit positiv, der Widerstand liegt an der Kontaktstelle im Mittel bei gerade einmal 6,3x10-7 Ω/cm². Das sind wichtige Informationen für die Anwender funktionalisierten Graphens: Sie können anhand der Daten nun ihre Materialien und Verfahren vergleichen und gegebenenfalls anpassen. Dr. Mertin geht im Geist schon einen Schritt weiter: „Jetzt wollen wir den Einfluss der funktionellen Gruppen noch einmal genauer unter die Lupe nehmen, und das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis verändern. Mal sehen, ob wir so nicht einen noch geringeren Widerstand erzielen können.“

Der Nano-Letters-Beitrag „Local Voltage Drop in a Single Functionalized Graphene Sheet Characterized by Kelvin Probe Force Microscopy” ist hier zu finden:
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl201070c
DOI: 10.1021/nl201070c

Redaktion und weitere Informationen:
Birte Vierjahn, CeNIDE, Tel. 0203 379-1456, birte.vierjahn@uni-due.de, http://www.cenide.de