„Heißes“ Graphen zeigt die Migration von Kohlenstoffatomen

Kürzlich wurde erstmals die Wanderung von Kohlenstoffatomen auf der Oberfläche des Nanomaterials Graphen gemessen. Obwohl sich die Atome zu schnell bewegen, um mit einem Elektronenmikroskop direkt beobachtet zu werden, kann ihr Einfluss auf die Stabilität des Materials jetzt indirekt bestimmt werden, während das Material auf einer mikroskopisch kleinen Heizplatte erhitzt wird. Die Studie von Forschenden der Fakultät für Physik der Universität Wien wurde im Journal veröffentlicht Kohlenstoff.

Kohlenstoff ist ein für alles bekannte Leben essentielles Element und kommt in der Natur hauptsächlich als Graphit oder Diamant vor. In den letzten Jahrzehnten haben Materialwissenschaftler viele neuartige Formen von Kohlenstoff geschaffen, darunter Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. Vor allem Graphen wurde intensiv erforscht, nicht nur wegen seiner hervorragenden Eigenschaften, sondern auch, weil es sich besonders gut für Experimente und Modellbau eignet. Einige grundlegende Prozesse konnten jedoch nicht gemessen werden, darunter die Bewegung von Kohlenstoffatomen auf seiner Oberfläche. Diese zufällige Migration ist der atomare Ursprung des Phänomens der Diffusion.

Diffusion bezeichnet die natürliche Bewegung von Teilchen wie Atomen oder Molekülen in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern. In der Atmosphäre und den Ozeanen sorgt dieses Phänomen für eine gleichmäßige Verteilung von Sauerstoff und Salz. In der technischen Industrie ist es von zentraler Bedeutung für die Stahlproduktion, Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen, um nur einige Beispiele zu nennen. In der Materialwissenschaft erklärt die Diffusion an der Oberfläche von Festkörpern, wie bestimmte katalytische Reaktionen ablaufen und viele kristalline Materialien, einschließlich Graphen, gezüchtet werden.

Oberflächendiffusionsraten hängen im Allgemeinen von der Temperatur ab: Je wärmer, desto schneller wandern die Atome. Aus der Messung dieser Geschwindigkeit bei verschiedenen Temperaturen lässt sich im Prinzip die Energiebarriere bestimmen, die beschreibt, wie leicht es den Atomen fällt, von einem Ort auf der Oberfläche zum nächsten zu hoffen. Dies ist jedoch durch direkte Abbildung nicht möglich, wenn sie nicht lange genug an Ort und Stelle bleiben, was bei Kohlenstoffatomen auf Graphen der Fall ist. Daher stützt sich unser Verständnis bisher auf Computersimulationen. Die neue Studie überwindet diese Schwierigkeit, indem sie ihre Wirkung indirekt misst, während das Material auf einer mikroskopisch kleinen Heizplatte in einem Elektronenmikroskop erhitzt wird.

Indem die Atomstruktur von Graphen mit Elektronen visualisiert wurde, während gelegentlich Atome herausgeschleudert wurden, konnten die Forscher bestimmen, wie schnell sich Kohlenstoffatome auf der Oberfläche bewegen müssen, um das Füllen der entstehenden Löcher bei erhöhten Temperaturen zu erklären. Durch die Kombination von Elektronenmikroskopie, Computersimulationen und einem Verständnis des Zusammenspiels des Abbildungsprozesses mit der Diffusion konnte eine Schätzung für die Energiebarriere gemessen werden.

„Nach sorgfältiger Analyse haben wir den Wert auf 0,33 Elektronenvolt genau bestimmt, etwas niedriger als erwartet“, sagt Hauptautor Andreas Postl. Die Studie ist auch ein Beispiel für einen glücklichen Zufall in der Forschung, da das ursprüngliche Ziel des Teams darin bestand, die Temperaturabhängigkeit dieses Strahlungsschadens zu messen. „Ehrlich gesagt war dies nicht das, was wir ursprünglich untersuchen wollten, aber solche Entdeckungen in der Wissenschaft entstehen oft durch beharrliches Streben nach kleinen, aber unerwarteten Details“, schließt der leitende Autor Toma Susi.