Scharf gefaltetes Graphen bringt ganz neue Elektronik-Optionen hervor

Forscher aus den USA und Großbritannien haben Hinweise darauf gefunden, dass winzige, extrem scharfe Falten in Graphen dessen elektrische Eigenschaften verändern können. Dies verspricht komplett neue Anwendungs-Möglichkeiten in der Elektronik.

Theoretische Annahme bestätigt

Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen und gilt wegen seiner hohen Festigkeit, elektrischen Leitfähigkeit, Flexibilität und seines geringen Gewichts als besonders vielseitiges Material. Schon vor fast zwei Jahrzehnten hatten zwei Physiker die Vermutung aufgestellt, dass eine sehr starke Verformung des Materials ausreichen könnte, um seine Elektronenverteilung zu beeinflussen. Demnach sollte allein die Form des Graphens eine elektrische Polarisation erzeugen können.

Der experimentelle Nachweis erwies sich allerdings als schwierig. Entscheidend sind Verformungen auf nahezu atomarer Ebene. Selbst moderne Mikroskope können nur schwer exakt bestimmen, wie stark sich das hauchdünne Material an einer bestimmten Stelle krümmt.


Nun könnten ausgerechnet winzige Falten im Graphen den entscheidenden Hinweis geliefert haben. Die Forscher untersuchten Messdaten, bei denen rund um besonders stark gekrümmte Bereiche ungewöhnliche elektrische Signale auftraten. Die gemessenen Veränderungen des lokalen elektrischen Potenzials stimmten dabei eng mit theoretischen Berechnungen überein, die das Verhalten der Atome und Elektronen auf kleinster Skala berücksichtigen.

Die Wissenschaftler sprechen von Flexoelektrizität. Dabei führt eine ungleichmäßige Verformung eines Materials zu einer Trennung elektrischer Ladungen. Bei gewöhnlichen Materialien lässt sich dieser Effekt bereits beobachten. Im nur ein Atom dicken Graphen soll die extreme Krümmung jedoch einen zusätzlichen quantenmechanischen Vorgang auslösen.

Elektronenorbitale überlappen sich

Nach Ansicht der Forscher verändert die starke Biegung, wie sich die Elektronenorbitale der Kohlenstoffatome überlappen. Dadurch werden Elektronen in der Umgebung der Falte neu verteilt. Dies bezeichnen sie als "quantum orbital flexoelectricity", also quantenmechanische orbitale Flexoelektrizität.

Der entscheidende Hinweis kam von Sathvik Ajay Iyengar, der an der Rice University promovierte. Bei der erneuten Auswertung von Messungen, die er gemeinsam mit Manoj Tripathi durchgeführt hatte, stieß er auf die ungewöhnlichen Signale. Iyengar wandte sich daraufhin an Vincent Meunier, der an seiner Promotion beteiligt war und bereits 2008 an der theoretischen Vorhersage des Effekts mitgewirkt hatte.


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