Graphen

Graphen ist eine zweidimensionale Modifikation des Elements Kohlenstoff, bestehend aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitternetz angeordnet sind. Jedes Atom ist sp2-hybridisiert, wodurch starke kovalente Bindungen innerhalb der Ebene entstehen. Aufgrund der geringen Dicke besitzt Graphen einzigartige mechanische, elektrische und optische Eigenschaften.

Zu den herausragenden Merkmalen zählen eine hohe mechanische Festigkeit und ein hoher Elastizitätsmodulwert (der erwartet oft bei etwa 1 TPa liegt; die Zugfestigkeit wird in der Größenordnung von 100–130 GPa angegeben). Elektrisch zeigt Graphen sehr hohe Mobilitäten und eine große Bandbreite an Leitfähigkeiten; je nach Probenzuschnitt können Mobilitäten im Bereich von tausenden bis hin zu zehntausenden bis hunderttausenden cm2/(V·s) auftreten. Graphen hat kein offensichtliches Bandgap (es verhält sich als Halbmetall oder gapless Dirac-Hermite), was es für manche elektronische Anwendungen attraktiv, aber für rein digitale Schaltungen herausfordernd macht. Optisch ist Graphen fast transparent und absorbiert ungefähr 2,3 Prozent des sichtbaren Lichts pro Schicht.

Herstellung und Formen umfassen mechanische Exfoliation aus Graphit, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf Metallsubstraten wie Kupfer oder Nickel, epitaktisches Wachstum auf Siliziumcarbid sowie die Reduktion von Graphenoxid. Diese Verfahren unterscheiden sich in Qualität, Skalierbarkeit und Kosten. Graphen lässt sich in ein- bis mehrlagige Formen überführen, wobei die Eigenschaften je nach Dicke variieren.

Anwendungsfelder reichen von leitfähigen, flexiblen Elektronik- und Sensoren bis zu Verbundwerkstoffen, Energiespeicheranwendungen und Filtration. Eine zentrale Herausforderung bleibt das fehlende intrinsische Bandgap bei einlagigem Graphen, das die rein digitale Elektronik erschwert; Ansätze wie Nanoribbons, Bilayer-Graphen mit externem Feld oder chemische Modifikationen zielen darauf ab, den Bandabstand kontrolliert zu öffnen.

Geschichte: Graphen wurde 2004 von Andre Geim und Konstantin Novoselov am University of Manchester isoliert, wofür sie 2010 den Nobelpreis für Physik erhielten.