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Graphen bringt euch um

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Graphen bringt euch um

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Schematische Darstellung der Ausbreitung einer mechanischen (Schall-)Welle in einer Graphenprobe. Die grauen Bereiche zeigen die Regionen mit der höchsten Dichte an Kohlenstoffatomen, d. h. die Spitzen der Schallwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Abbildung zeigt die Kristallstruktur von Graphen, dessen Atome an den Eckpunkten eines hexagonalen Gitters angeordnet sind. [ANGEPASST AUS: “SOUND WAVES INDUCE VOLKOV-LIKE STATES, BAND STRUCTURE AND COLLIMATION EFFECT IN GRAPHENE”, M. O. OLIVA-LEYVA UND G. G. NAUMIS IN JOURNAL OF PHYSICS: CONDENSED MATTER, VOL. 28, Nr. 2, ART. 025301, JANUAR 2016]

Gerardo García Naumis
Eine theoretische Studie legt die Möglichkeit nahe, das Verhalten der Elektronen in diesem zweidimensionalen Material durch mechanische Wellen zu steuern. Die Ergebnisse könnten in der Elektronik und bei der Entwicklung intelligenter Materialien Anwendung finden.

In den letzten Jahren haben Materialien mit einer einzigen Schichtdicke von Atomen (zweidimensional) eine Revolution in der Nanotechnologie ausgelöst. Sie traten erstmals 2004 in den Vordergrund, als Andre Geim und Konstantin Novoselov von der University of Manchester Graphen entdeckten, ein Material aus Kohlenstoff-Monolagen, für das sie 2010 den Nobelpreis für Physik erhielten. Im Laufe der Zeit hat sich diese Familie um Silizium (Silizium-Monoschichten), Phosphoren (Phosphor-Monoschichten) und zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalcogenide (MoS2, NiSe2, usw.) erweitert.

Sie alle weisen sehr interessante elektronische, optische, chemische und mechanische Eigenschaften auf. Insbesondere wird angenommen, dass sie in Zukunft Silizium in der Elektronik ersetzen könnten. Zu diesem Zweck ist die Fähigkeit, das Verhalten der Elektronen in diesen Materialien zu kontrollieren, von grundlegendem Interesse.

Graphen wurde als “Wundermaterial” bezeichnet: Es ist der beste bekannte Strom- und Wärmeleiter und verbindet die Leichtigkeit von Graphit mit der Stärke von Diamant. Diese Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Verformung erklärt sich durch die Stärke der Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen, die in einer hexagonalen, wabenartigen Struktur angeordnet sind.

Ein typisches festes Material kann sich um bis zu 3 % seiner Länge dehnen. Graphen hingegen dehnt sich auf bis zu 23 Prozent aus. Außerdem ist diese Verformung elastisch: Wenn die Kraft, die sie verursacht, nachlässt, kehrt sie in ihre ursprüngliche Form zurück. Andererseits vergrößert sich ihre Länge proportional zur Verformungskraft, d. h. sie verhält sich wie eine Feder, ein mechanisches System, das Physiker sehr gut kennen.

Die Verformungen von Graphen führen zu allen möglichen Veränderungen im Verhalten seiner Elektronen. Dies hat zu der Idee geführt, “intelligente” Materialien zu entwickeln, die ihre elektronischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Belastung kontrolliert verändern. Dies würde es prinzipiell ermöglichen, die Art der Lichtabsorption, die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und andere Eigenschaften zu verändern. Für die Erforschung und Anwendung dieses Phänomens wurde der Begriff Straintronics geprägt, der mit “Tensiotronik” übersetzt werden kann.

In jüngsten theoretischen Arbeiten, die wir zusammen mit Maurice Oliva-Leyva vom Institut für Materialforschung der UNAM durchgeführt haben, haben wir die Auswirkungen von Schallwellen auf das elektronische Verhalten von Graphen analysiert.

Unsere Ergebnisse, die im Journal of Physics: Condensed Matter veröffentlicht wurden, legen die Möglichkeit nahe, mechanische Verformungen zu nutzen, um die Elektronen im Material zu kollimieren, d. h. einen Strahl zu erzeugen, der sich in eine bestimmte Richtung ausbreitet. Die Entdeckung ist ein erster Schritt zur Manipulation von Elektronen in Graphen mit Hilfe von Schallwellen und öffnet die Tür zu verschiedenen Anwendungen.

Relativistische” Elektronen und elektromagnetische Wellen

Die Elektronen in Graphen verhalten sich ganz anders als die Elektronen in dreidimensionalen Materialien. In einem dreidimensionalen Halbleiter, wie z. B. Silizium, ist die Energie der Elektronen proportional zum Quadrat ihrer Geschwindigkeit.

In Graphen hingegen ist die Energie direkt proportional zur Geschwindigkeit dieser Teilchen. Aus mathematischer Sicht entspricht diese Beziehung derjenigen, die für relativistische Teilchen gilt, d. h. für Teilchen, die sich mit Geschwindigkeiten bewegen, die der Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommen.