Bewältigung von Herausforderungen beim Elektronentransport durch Graphen-Nanostrukturen

Nichts auf der Welt ist perfekt. Das gilt auch für die Materialforschung. In Computersimulationen stellt man ein System oft stark idealisiert dar; Beispielsweise berechnet man die Eigenschaften, die ein absolut perfekter Kristall hätte. In der Praxis haben wir es jedoch immer mit zusätzlichen Effekten zu tun – mit Defekten im Kristallgitter, mit zusätzlichen Partikeln, die sich an das Material anlagern, mit komplizierten Wechselwirkungen zwischen den Partikeln. Die entscheidende Frage lautet also: Verändern diese unvermeidbaren Zusatzeffekte die Materialeigenschaften oder nicht?

Dies ist besonders interessant im Fall des zweidimensionalen Materials Graphen, das nur aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Es ist seit langem bekannt, dass Graphen hervorragende elektronische Eigenschaften besitzt. Allerdings war bisher unklar, wie stabil diese Eigenschaften sind. Werden sie durch in der Praxis unvermeidbare Störungen und Zusatzeinwirkungen zerstört oder bleiben sie erhalten?

Forschern der TU Wien ist es nun gelungen, ein umfassendes Computermodell realistischer Graphenstrukturen zu entwickeln. Es stellte sich heraus, dass die gewünschten Effekte sehr stabil sind. Auch nicht ganz perfekte Graphenstücke lassen sich gut für technologische Anwendungen nutzen. Das sind gute Nachrichten für die globale Graphen-Community. Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Kohlenstoff.

Viele Wege führen durch Graphen

„Wir berechnen auf atomarer Skala, wie sich elektrischer Strom in einem winzigen Stück Graphen ausbreitet“, sagt Prof. Florian Libisch vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Es gibt verschiedene Wege, wie sich ein Elektron durch das Material bewegen kann. Nach den Regeln der Quantenphysik muss es keinen dieser Wege wählen, das Elektron kann mehrere Wege gleichzeitig nehmen.“

Diese verschiedenen Pfade können sich dann auf unterschiedliche Weise überschneiden. Bei ganz bestimmten Energiewerten heben sich die Pfade gegenseitig auf; Bei dieser Energie ist die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen durch das Graphenstück gelangen, sehr gering und der elektrische Strom minimal. Dies wird als „destruktive Interferenz“ bezeichnet.

„Dass der Stromfluss bei ganz bestimmten Energiewerten aus quantenphysikalischen Gründen dramatisch abnimmt, ist ein technologisch höchst wünschenswerter Effekt“, erklärt Libisch. „Damit lassen sich beispielsweise Informationen in kleinster Größenordnung verarbeiten, ähnlich wie elektronische Bauteile in Computerchips.“

Man kann damit auch neuartige Quantensensoren entwickeln. Angenommen, ein Graphenstück leitet praktisch überhaupt keinen Strom. Dann heftet sich plötzlich ein Molekül von außen an die Graphenoberfläche. „Dieses eine Molekül verändert die elektronischen Eigenschaften des Graphenstücks ein wenig, und das kann bereits ausreichen, um den Stromfluss plötzlich ganz drastisch zu erhöhen“, sagt Dr. Robert Stadler. „Damit ließen sich extrem empfindliche Sensoren herstellen.“

Zahlreiche mögliche Störungen

Doch die physikalischen Effekte, die im Detail eine Rolle spielen, sind sehr kompliziert. „Die Größe und Form des Graphenstücks ist nicht immer gleich, und es gibt Vielteilchenwechselwirkungen zwischen mehreren Elektronen, die mathematisch sehr schwer zu berechnen sind. An manchen Stellen kann es unerwünschte zusätzliche Atome geben, und die Atome wackeln immer ein wenig.“ „All dies muss berücksichtigt werden, um den Werkstoff Graphen wirklich realistisch beschreiben zu können“, sagt Dr. Angelo Valli.

Genau das ist nun an der TU Wien gelungen: Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian und Florian Libisch verfügen über jahrelange Erfahrung darin, unterschiedliche Effekte in Materialien in Computermodellen richtig zu beschreiben. Durch die Bündelung ihrer Expertise ist es ihnen nun gelungen, ein umfassendes Computermodell zu entwickeln, das alle relevanten Fehlerquellen und Störungseffekte berücksichtigt, die in Diagrammen vorkommen.

Und damit konnten sie zeigen, dass auch bei Vorhandensein dieser Fehlerquellen die gewünschten Effekte noch sichtbar sind. Es ist immer noch möglich, eine bestimmte Energie zu finden, bei der aufgrund von Quanteneffekten nur noch ein sehr geringer Strom fließt. Experimente hatten bereits gezeigt, dass dies plausibel ist, eine systematische theoretische Untersuchung fehlte jedoch bisher.

Dies beweist, dass Graphen nicht perfekt sein muss, um für die Quanteninformationstechnologie oder Quantensensorik verwendet zu werden. Für die angewandte Forschung auf diesem Gebiet ist dies eine wichtige Botschaft: Die weltweiten Bemühungen, die Quanteneffekte in Graphen kontrolliert zu nutzen, sind in der Tat vielversprechend.