Graphenebenen

Graphenebenen sind einzelne Blätter der Kohlenstoffmodifikation Graphen, bestehend aus Kohlenstoffatomen in einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter. Mehrere Ebenen übereinander bilden mehrschichtigen Graphen; die bekannteste natürliche Erscheinung ist Graphit, bei dem die Ebenen durch van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Der typische Abstand zwischen den Ebenen beträgt 0,335 Nanometer.

Die elektronische Struktur hängt von der Anzahl der Ebenen und ihrer Orientierung ab. Monolagen zeigen Dirac-Fermionen mit nahezu null Bandlücke und hochmobile Elektronen. In mehrlagigem Graphen, insbesondere bei Bernal-AB-Stapelung, verändert sich die Bandstruktur und damit die Leitfähigkeit. Geometrische Verzerrungen oder Verdrehungen zwischen den Ebenen können Moiré-Muster erzeugen und zu neuen elektronischen Phasen führen.

Zu den herausragenden Eigenschaften der Graphenebenen gehören hohe mechanische Festigkeit, geringe Dichte sowie exzellente elektrische und thermische Leitfähigkeit. Die interlayer-Kopplung lässt sich durch Schichtzahl, Stapelung und Ausrichtung modulieren, wodurch sich die elektronischen Eigenschaften anpassen lassen. Graphenebenen lassen sich auf verschiedenen Wegen herstellen oder aufbereiten, etwa durch mechanische Abhebung aus Graphit, chemische Abscheidung (CVD) zu großflächigen Schichten oder Reduktion von Graphenoxid. Die Raman-Spektroskopie dient oft zur Bestimmung der Schichtanzahl und Qualität.

Anwendungen umfassen Elektroden, Verbundwerkstoffe, Energiespeicher, Sensorik und Lubrikation. In der Grundlagenforschung spielt auch twisted bilayer graphene eine bedeutende Rolle, da geringe Drehwinkel zu ungewöhnlichen elektronischen Phasen führen können.