Kohlenstoffschichten

Kohlenstoffschichten bezeichnen dünne, überwiegend zweidimensionale Anordnungen von Kohlenstoffatomen. Die bekannteste Form ist Graphit, das aus vielen übereinanderliegenden Schichten besteht. Jede Schicht besteht aus Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Netz, das durch starke kovalente Bindungen innerhalb der Schicht zusammengehalten wird. Zwischen den Schichten wirken lediglich schwache van der Waals-Kräfte, was das Abheben einzelner Schichten erleichtert. Eine einzelne Kohlenstoffschicht wird Graphen genannt.

Graphit besitzt eine schichtweise Struktur, Graphen dagegen ist eine einzige Lage dieses Netzes. Die Kohlenstoffatome in Graphen sind sp2-hybridisiert und bilden ein offenes, äußerst stabiles zweidimensionales Gitter. In der Ebene zeigt Graphen sehr hohe elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit; außerhalb der Ebene sind die Bindungskräfte schwächer, was dem Material andere Eigenschaften verleiht. Zusätzlich zu Graphit und Graphen entstehen in der Forschung weitere kohlenstoffbasierte Schichtformen, die in Nanomaterialien verwendet werden.

Herstellung und Verarbeitung erfolgen durch verschiedene Wege. Mechanische Exfoliation (Klebebandmethode) liefert erste Graphenlagen. Die chemische Abscheidung (CVD) ermöglicht Wachstum von Graphen auf Metallen; epitaktische Graphen können durch Temperaturbehandlung von Siliziumcarbid erzeugt werden. Dünne Kohlenstoffschichten lassen sich durch Abscheidung, Pyrolyse oder Umwandlung von organischen Vorstufen herstellen. Die Dicke reicht von einer einzigen Schicht bis mehreren Dutzend Schichten.

Eigenschaften und Anwendungen. Kohlenstoffschichten zeigen eine hohe Festigkeit pro Gewichtseinheit, flexible Formbarkeit sowie hervorragende elektrische und Wärmeleitfähigkeit in der Ebene. Anwendungsgebiete sind elektrische Transistoren und flexible Elektronik, Verbundwerkstoffe, Energiespeicherung (Batterien, Superkondensatoren) sowie Katalyse-Unterstützungen und Sensorik.