Ausgabe 199

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 199 / 22. 06. 2021
Wissenschaft & Technik
Graphen
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Atomares »Maßschneidern« nähert sich der makroskopischen Welt
© Wikipedia / / CC-BY 4.0 / Alexander AlUS
Die Eigenschaften von Materialien werden
häufig durch Unvollkommenheiten
in ihrer atomaren Struktur bestimmt, insbesondere
wenn das Material selbst nur ein
Atom dick ist, wie z.B. Graphen. Forscher
der Universität Wien haben nun eine Methode
entwickelt, die die kontrollierte Erzeugung
derartiger Fehlstellen in Graphen auf
Längenskalen erlaubt, die sich der makroskopischen
Welt annähern. Die durch Mikroskopie
in atomarer Auflösung bestätigten
Forschungsergebnisse wurden in der renommierten
Fachzeitschrift „Nano Letters“ veröffentlicht
und dienen als wesentlicher Ausgangspunkt
sowohl für das anwendungsorientierte
Maßschneidern von Graphen als
auch für die Entwicklung neuer Materialien.
Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen,
die in einem maschendrahtähnlichen Muster
angeordnet sind. Das nur ein Atom dicke
Ma terial ist bekannt für seine vielen außergewöhnlichen
Eigenschaften, wie z.B. extreme
Festigkeit und bemerkenswerte elektrische
Leitfähigkeit. Seit seiner Entdeckung
haben ForscherInnen nach Möglichkeiten
ge sucht, Graphen durch kontrollierte Manipulation
seiner atomaren Struktur weiter
maßzuschneidern. Bislang konnten solche
Veränderungen jedoch nur lokal bestätigt
Forscher der Universität Wien haben eine Methode entwickelt, die die kontrollierte Erzeugung von
Fehlstellen in Graphen auf Längenskalen erlaubt, die sich der makroskopischen Welt annähern.
»Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at
werden, da die Abbildung großer Proben mit
atomarer Auflösung und die Analyse großer
Datensätze eine Herausforderung darstellten.
Nun hat ein Team um Jani Kotakoski an
der Universität Wien zusammen mit Nion
Co. einen experimentellen Aufbau rund um
ein atomar auflösendes Nion UltraSTEM
100 Mikroskop mit neuen Ansätzen zur
Bildgebung und Datenanalyse durch maschinelles
Lernen kombiniert, um die Kontrolle
von Graphen auf atomarer Ebene in Richtung
makroskopischer Probengrößen zu
bringen. Der experimentelle Ablauf ist in
Abbildung 1 dargestellt.
Zu Beginn des Experiments wird Graphen
durch Laserbestrahlung gereinigt und
danach kontrolliert durch niederenergetische
Argon-Ionen-Bestrahlung modifiziert. Da -
nach wird die Probe unter Vakuum in das
Mikroskop überführt, wo sie mithilfe eines
automatischen Algorithmus mit atomarer
Auflösung abgebildet wird. Die aufgenommenen
Bilder werden an ein neuronales
Netzwerk weitergeleitet, das die atomare
Struktur erkennt und so einen umfassenden
Überblick über die atomare Veränderung der
Probe liefert.
„Der Schlüssel zum erfolgreichen Experiment
war die Kombination unseres einzigartigen
Versuchsaufbaus mit den neuen automatisierten
Bildgebungs- und maschinellen
Lernalgorithmen“, sagt Alberto Trentino, der
Hauptautor der Studie. „Die Entwicklung al -
ler notwendigen Teile war der Erfolg echter
Teamarbeit, die jetzt leicht für Folgeexperimente
verwendet werden können“, fährt er
fort. Tatsächlich erweitern die Forscher nach
dieser gelungenen atomaren Veränderung von
Graphen über große Bereiche einer Probe
bereits die Methode, um die erzeugten strukturellen
Unvollkommenheiten zum Beispiel
zur Verankerung von Fremdatomen in der
Struktur zu nutzen. „Wir sind begeistert von
der Möglichkeit, mithilfe dieser Methode –
ausgehend von der atomaren Ebene – neue
Materialien zu erschaffen“, schließt der Leiter
des Forschungsteams Jani Kotakoski.
Die Forschung wurde durch den österreichischen
Wissenschaftsfonds FWF und den
Europäischen Forschungsrat (ERC) finanziert.
Das „Wunder“-Material Graphen verheißt
einen vielfältigen und weitreichenden Einsatz
in der Elektronik der Zukunft, das die
traditionelle Silizium-Technologie ergänzen
oder sogar ersetzen könnte.
n
https://www.univie.ac.at/
https://de.wikipedia.org/wiki/Graphen