Forschung -

Studie zeigt volles Potenzial des 'Supermaterials' Graphen

Aktuelle Forschung zeigt nunmehr, warum das 'Supermaterial' Graphen die Elektronik nicht wie vorhergesagt verändert hat, und erläutert, wie man dessen Leistung verdoppelt und schließlich das außergewöhnliche Potenzial dieses Materials nutzt.

Graphen ist das stärkste Material, das je getestet wurde. Es ist außerdem flexibel, transparent und leitet Wärme und Strom zehnmal besser als Kupfer.

Nachdem die Graphenforschung 2010 den Nobelpreis für Physik erhielt, wurde Graphen als transformatives Material für flexible Elektronik, leistungsfähigere Computerchips und Solarmodule, Wasserfilter und Biosensoren gefeiert. Aber die Performance war bisher eher gemischt und die Akzeptanz in der Industrie recht langsam.

Jetzt identifiziert eine in "Nature Communications" veröffentlichte Studie die Siliziumkontamination als Grundursache für enttäuschende Ergebnisse und beschreibt, wie man leistungsfähigeres, reines Graphen herstellen kann.

Das Team der RMIT University unter der Leitung von Dr. Dorna Esrafilzadeh und Dr. Rouhollah Ali Jalili untersuchte handelsübliche Graphenproben Atom für Atom mit einem hochmodernen Rasterübergangselektronenmikroskop.

"Wir stellten eine hohe Siliziumkontamination in handelsüblichem Graphen fest, mit massiven Auswirkungen auf die Leistung des Materials", sagte Esrafilzadeh.

Tests zeigten, dass das im Naturgrafit, dem Ausgangsmaterial für die Graphenherstellung, enthaltene Silizium bei der Verarbeitung nicht vollständig entfernt wird.

"Wir glauben, dass diese Kontamination im Mittelpunkt vieler scheinbar inkonsistenter Berichte über die Eigenschaften von Graphen und vielleicht von vielen anderen atomar dünnen zweidimensionalen Materialien steht", sagte Esrafilzadeh.

"Graphen wurde als transformativ eingestuft, hat aber bisher ebenso wie ähnliche 2-D Nanomaterialien keine signifikanten kommerziellen Auswirkungen erzielt. Jetzt wissen wir, warum es nicht wie versprochen funktioniert hat und was getan werden muss, um dessen Potenzial voll auszuschöpfen."

Die Tests identifizierten nicht nur diese Verunreinigungen, sondern zeigten auch die größeren Einflüsse auf die Leistung, wobei verunreinigtes Material bis zu 50 % schlechter abschneidet, wenn es als Elektrode getestet wird.

"Dieses Ausmaß an Inkonsistenz könnte das Aufkommen wichtiger Industrieanwendungen für graphenbasierte Systeme behindert haben. Aber es erschwert auch die Entwicklung von regulatorischen Rahmenbedingungen für die Implementierung solcher geschichteten Nanomaterialien, die zum Rückgrat der nächsten Gerätegeneration werden sollen", sagte sie.

Die zweidimensionale Eigenschaft von Graphenfolie, die nur ein Atom dick ist, macht sie ideal für die Elektrizitätsspeicherung und neue Sensortechnologien, die auf große Oberflächen angewiesen sind.

Diese Studie zeigt, wie diese 2-D Eigenschaft auch die Achillesferse des Graphen ist, weil es so anfällig für Oberflächenkontaminationen ist. Es wird auch darauf hingewiesen, wie wichtig hochreiner Grafit für die Herstellung von reinem Graphen ist.

Mit reinem Graphen zeigten die Forscher, wie das Material außerordentlich gut abschneidet, sobald es zum Bau eines Superkondensators verwendet wird.

Beim Testen war die Kapazität des Elementes, elektrische Ladung zu speichern, enorm. Tatsächlich war es die bisher größte Kapazität für Graphen und damit in Sichtweite der vorhergesagten theoretischen Kapazität des Materials.

In Zusammenarbeit mit dem 'Centre for Advanced Materials and Industrial Chemistry' des RMIT baute das Team dann aus reinem Graphen einen vielseitigen Feuchtesensor mit der höchsten Empfindlichkeit und der niedrigsten jemals berichteten Nachweisgrenze.

Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Meilenstein für das vollständige Verständnis von atomar dünnen zweidimensionalen Materialien und deren erfolgreiche Integration in kommerzielle Hochleistungssysteme dar.

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