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MATERIALWISSENSCHAFT EIN WUNDERSTOFF WIRD ENTZAUBERT


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 3/2019 vom 23.02.2019

Graphen sollte das neue Silizium werden. Die Geschichte eines Goldrauschs – mit unerwarteter Wendung.


Artikelbild für den Artikel "MATERIALWISSENSCHAFT EIN WUNDERSTOFF WIRD ENTZAUBERT" aus der Ausgabe 3/2019 von Spektrum der Wissenschaft. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 3/2019

In Graphen ordnen sich Kohlenstoffatome (schwarz) wie in einer Bienenwabe an. Die Bindungen zwischen ihnen sind auf diesem Bild als goldene Stäbe dargestellt. Wie wertvoll Graphen wirklich ist, muss sich noch zeigen.


STANISLAV CHUB /

STOCK.ADOBE.COM

Anna Clemens ist promovierte Materialwissenschaftlerin und Wissenschaftsjournalistin in Prag.


►Der Goldrausch beginnt mit einem Stück Tesafilm. Sorgfältig haben Andre Geim und sein Doktorand Konstantin Novoselov etliche Stücke davon abgeschnitten. Eigentlich ...

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... ist schon Feierabend, aber die beiden Forscher haben es sich zur Gewohnheit gemacht, freitags länger zu arbeiten. Die Zeit nutzen sie, um in ihrem Labor an der University of Manchester eher spekulativen Ideen nachzugehen.

An diesem Abend im Jahr 2002 pappen Geim und Novoselov ein Stück Tesafilm auf einen dunklen Graphitblock und reißen es blitzschnell wieder herunter. Dann nehmen sie einen anderen Streifen, kleben ihn auf den ersten und ziehen ihn erneut ab. Ratsch, ratsch, ratsch.

Die beiden Forscher wollen so möglichst dünnes Graphit herstellen. Das gräulich-schuppige Mineral besteht aus einem dreidimensionalen Kohlenstoffgitter, dessen Atome jeweils drei sehr robuste Bindungen mit Partnern in derselben Gitterebene eingehen. Zwischen den einzelnen Schichten wirkt nur die schwache Van-der-Waals-Anziehung. Das macht Graphit weniger stabil als Diamant, in dem die Kohlenstoffatome nicht in Schichten angeordnet sind, sondern mit jeweils vier Nachbarn räumlich verknüpft sind. Dennoch gehören Graphitkristalle zu den widerstandsfähigeren Materialien, die Menschen ohne allzu großen Aufwand aus der Erde lösen können. Bereits in der späten Eisenzeit vor 2400 Jahren sollen unsere Vorfahren Töpfe damit feuerfest gemacht haben. Bis heute steckt Graphit in den Minen von Bleistiften.

Graphit und Diamant sind keineswegs die einzigen Formen von Kohlenstoff: Man kann C-Atome auch dazu bringen, sich zu fußballförmigen Molekülen zusammenzuschließen, so genannten Fullerenen. In anderen Situationen bilden die Atome gar tunnelartige Strukturen, Experten sprechen von Kohlenstoffnanoröhren.

Im Jahr 2002 sind Geim und Novoselov einer weiteren Variante auf der Spur. Sie müsste man erhalten, wenn man die oberste Schicht von Graphit abtrennt. Damit bekäme man eine ebene, lediglich ein Atom dicke Lage aus Kohlenstoff. Theoretische Überlegungen zu diesem »Graphen « gibt es schon lange. Die gebürtigen Russen, die in England forschen, wollen den ultradünnen Stoff nun erstmals isolieren.

Geim und Novoselov vermuten, dass man einige Fitzelchen Graphen bereits mit einfachem Klebeband von einem Graphitblock lösen kann. Auf die Idee hat die beiden ein Kollege gebracht, der auf diese Weise die Oberfläche eines Graphitstücks reinigte. Nach einigen Tagen spielerischer Tests bleibt am Tesafilm der Forscher eines Abends tatsächlich Graphen haften, wie sie unter dem Mikroskop feststellen.

Der Traum von einer Materialrevolution

Die Entdeckung beschert Geim und Novoselov im Jahr 2010 den Physik-Nobelpreis. Und sie löst einen Boom aus, wie ihn die Materialwissenschaft noch nicht gesehen hat. Denn Graphen hat herausragende Eigenschaften: Das hauchdünne Gitter aus perfekt angeordneten C-Atomen ist transparent, extrem stabil, biegsam und widerstandsfähig. Ein Wundermaterial, schwärmen Forscher und Analysten.

Schnell machen sich große Hoffnungen breit: Graphen könnte eine Revolution ganzer Industriezweige herbeiführen. Es könnte schnellere Prozessoren, faltbare Telefone, transparente Solarzellen und ultraleichte Flugzeuge ermöglichen. In Investorenkreisen gilt Graphen bald als das Gold des 21. Jahrhunderts. Seitdem sind weltweit enorme Geldbeträge in die Erforschung des einlagigen Kohlenstoffs geflossen. Aber bis heute lässt der große kommerzielle Durchbruch auf sich warten. Mancher Experte fragt sich mittlerweile, ob das Wundermaterial wirklich so wegweisend ist wie vermutet. Andere plädieren für Geduld: Oft folgt Wissenschaft ihrem eigenen Zeitplan – und führt zu überraschenden Erkenntnissen, wenn man schon gar nicht mehr damit rechnet.

Vieles davon können Geim und Novoselov noch nicht ahnen, als sie im Herbst 2004 ihre Messungen veröffentlichen. Fasziniert sind die Wissenschaftler vor allem von der elektrischen Leitfähigkeit des Graphens: Elektronen fließen praktisch mühelos durch den Maschendrahtzaun aus Kohlenstoff. Das macht das Material zu einem deutlich besseren Stromleiter als beispielsweise Kupfer.

Auch deshalb stürzen sich in den darauf folgenden Jahren immer mehr Forschungslabore auf den neuartigen Stoff. Die Zahl an wissenschaftlichen Publikationen explodiert geradezu. Während im Jahr 2005 nur gut 30 Fachaufsätze über Graphen erscheinen, sind es fünf Jahre später schon fast 3000. Mit der Vergabe des Nobelpreises an Geim und Novoselov bricht das Goldfieber dann erst recht aus. Innerhalb von drei Jahren schwillt die Masse an wissenschaftlichen Publikationen zu Graphen auf das Dreifache an. In dieser Phase wittert auch die Industrie ein großes Geschäft: Start-ups werden gegründet, weltweit Patente angemeldet. Zwischen 2010 und 2013 steigt deren Zahl von rund 1000 auf mehr als 7000 pro Jahr an.

Die EU startet ein Forschungsflaggschiff

Am 30. Januar 2013 tritt dann Neelie Kroes vor die Presse. Die damalige Vizepräsidentin der Europäischen Kommission und Kommissarin für die Digitale Agenda verkündet ein Novum: Die EU will im Lauf von zehn Jahren eine halbe Milliarde Euro für die Graphenforschung in Europa spendieren, ebenso viel Geld soll von Förderinitiativen der Mitgliedsstaaten kommen.

Nie zuvor hat die Europäische Union so viel Geld auf einmal für ein Wissenschaftsthema ausgegeben. Das Graphen-Großprojekt soll »Future and Emerging Technology Flagship« heißen. Mehr als 150 Forschungsteams aus 23 Ländern sollen bis 2023 davon profitieren. Zusammen mit Unternehmen sollen sie sich darauf konzentrieren, Graphen vom Labor in die Gesellschaft zu bringen – so das erklärte Ziel des Flaggschiffs. Der Stoff werde vermutlich das in Computerchips übliche Silizium in vielen Anwendungen ersetzen, schwärmt Kroes bei der Bekanntgabe. Das Flaggschiffprojekt könne gar ein »Graphene Valley« in Europa schaffen und das Silicon Valley in Kalifornien ablösen.

Die Argumentation klingt aus damaliger Perspektive schlüssig: In einem elektrischen Schaltkreis lassen sich Transistoren ein- und ausschalten, indem man kontrolliert, wie viel Strom man durch sie hindurchschickt. Das ist das Grundprinzip der digitalen Technik: »Strom ein« steht in der Computersprache für »1« und »Strom aus« für »0«. Derzeit bestehen Transistoren aus hochreinem Silizium. Doch bald könnte Graphen dem Material den Rang ablaufen, hoffen die Köpfe hinter dem EU-Großprojekt: Die Elektronen des Kohlenstoffs wären 100- bis 200-mal beweglicher, daraus gefertigte Schaltkreise könnten Befehle viel schneller ausführen. Feldeffekttransistoren – der mit Abstand populärste Transistortyp – ließen sich deutlich schneller schalten, Prozessoren mit höheren Taktraten wären denkbar.

Das Wundermaterial käme damit genau zur richtigen Zeit, argumentieren Befürworter des Flaggschiffs vor dessen Start. Schließlich soll die Siliziumtechnologie bald eine unüberwindbare Schwelle erreichen, sowohl was die Miniaturisierung angeht als auch in Sachen Taktfrequenz. Von 2021 an könnte Graphen dem graublauen Halbmetall daher den Rang ablaufen, prognostiziert ein Team um Novoselov 2012 in einem Fachartikel.

Damit die Materialrevolution Wirklichkeit werden kann, müssen die Forscher jedoch ein grundlegendes Problem lösen. Anders als Silizium weist reines Graphen praktisch keine »Bandlücke« auf. Das bedeutet: Elektronen können sich sehr leicht von ihren Atomkernen lösen – zu leicht. Einmal in Bewegung gesetzt, lässt sich ein Strom schwer wieder stoppen.

Eine Bandlücke ist aber entscheidend für den Einsatz in elektronischen Komponenten. In Silizium fließt Strom nur dann, wenn eine von außen angelegte Spannung den Ladungsträgern über die Barriere hilft. Man könnte auch sagen: Dank der Bandlücke lässt sich ein Transistor von »0« auf »1« schalten.

Lösungen sind denkbar, sagen Graphenbefürworter in jener Zeit. Man könnte beispielsweise einzelne Fremdatome in die hauchdünnen Schichten einfügen oder Graphen in dünne Bänder zerschneiden. Das würde dem besonderen Kohlenstoff eine Bandlücke verleihen, und aus dem extrem guten Leiter würde ein Halbleiter wie Silizium.

Mit Graphen überzogenes Plastik könnte einmal herkömmliche Smartphone-Bildschirme ablösen, hoffen Forscher. Das hauchdünne Material schützt empfindliche Silber-Nanodrähte an der Oberfläche.


MATTHEW LARGE, UNIVERSITY OF SUSSEX; MIT FRDL. GEN. DER UNIVERSITY OF SUSSEX

Andre Geim (links) und Konstantin Novoselov trennten als Erste hauchdünnes Graphen von einem Graphitblock ab. 2010 erhielten sie dafür den Physik-Nobelpreis – der Startpunkt für einen beispiellosen Boom.


UNIVERSITY OF MANCHESTER; MIT FRDL. GEN. VON BEN ROBINSON

Das Flaggschiff soll auch andere potenzielle Anwendungen ausloten, zum Beispiel in der Fotovoltaik: Die gängigen Solarzellen aus Silizium reagieren ausschließlich auf Lichtteilchen, die genug Energie zum Überwinden der Bandlücke mitbringen. Graphen in Reinform hat dieses Problem nicht, zudem dringt Strahlung eines breiten Spektrums in den Stoff ein. Damit scheint sich das widerstandsfähige und biegsame Material unter anderem als Beschichtung für Smartphone-Bildschirme zu eignen, die nicht nur durchsichtig ist, sondern auch Strom erzeugt.

Zum Start des Graphen-Flaggschiffs im Jahr 2013 stehen solchen Ideen jedoch noch ganz praktische Hürden im Weg. Die Herstellung des Wunderkohlenstoffs ist extrem teuer, insbesondere wenn Forscher einzelne, fehlerfreie Lagen isolieren wollen, wie man sie für viele Anwendungen benötigt. Die Methode von Geim und Novoselov eignet sich nur bedingt für die Massenproduktion. Mit Klebeband kann man Graphen nur sehr langsam isolieren.

Eine einen tausendstel Millimeter große, derart hergestellte Flocke kostet 2013 rund 1000 US-Dollar, weshalb mancher Beobachter Graphen zum teuersten Material des Planeten erklärt. Aussichtsreicher ist da schon die Technik der chemischen Gasphasenabscheidung. Bei ihr wird ein Gemisch aus Methan und Wasserstoff bei Temperaturen von 1000 Grad mit einem reaktiven Substrat in Kontakt gebracht, auf dem sich dann eine dünne Kohlenstoffschicht bildet. Anschließend muss man das damit verbundene Metall jedoch mit Chemikalien ablösen, was die Graphenschichten leicht beschädigen kann.

Viele Schürfer, keine Nuggets

Die Probleme bei der Fertigung schrecken Investoren nicht ab. Nach dem Start des EU-Großprojekts entdecken in Europa und den USA Dutzende Firmen Graphen für sich. Die chinesische Regierung eröffnet ganze Graphen-Industrieparks. Der größte befindet sich in Changzhou auf einer Fläche von sechs Quadratkilometern. Er beherbergt ein mit 260 Millionen Euro ausgestattetes Forschungsinstitut sowie mehr als 70 Firmen, die Graphen herstellen und damit neue Technologien entwickeln wollen.

Damit gibt es nun auf einmal genug Graphen für ausgiebige Tests. Was noch fehlt, ist ein Produkt für den Massenmarkt, das diesen Aufwand rechtfertigt. Forschergruppen in aller Welt suchen danach und versuchen, das Material besser zu verstehen. »Graphen boomt, aber es fehlt eine Killer-Anwendung«, schreibt das Wissenschaftsmagazin »Nature« im Jahr 2015.

Das gilt aus Sicht vieler Materialwissenschaftler noch immer. Die erste Hälfte des auf zehn Jahre angesetzten Graphen-Flaggschiffs verlief anders, als viele erwarteten: Ein halbes Jahrzehnt nach Kroes’ Rede hat geradezu ein Sinneswandel eingesetzt. Viele Experten sind inzwischen der Meinung, dass es das eine große Goldnugget, also eine dominante Graphenanwendung für den Massenmarkt, vielleicht gar nicht gibt.

Als Transistor der nächsten Computergeneration eignet sich Graphen jedenfalls nach wie vor nicht wirklich. Zwar haben Wissenschaftler immer wieder Prototypen für Feldeffekttransistoren aus Graphen entwickelt. Aber bisher ist es nicht gelungen, dem Material eine nennenswerte Bandlücke zu verleihen und dabei die phänomenalen Leitungseigenschaften beizubehalten.

In Labortests haben Forscher immerhin Fortschritte gemacht. 2015 dampfte ein Team um Ed Conrad vom Georgia Institute of Technology zwei Schichten Graphen auf Siliziumkarbid auf, wodurch die Elektronen besondere Bindungen mit dem Untergrund eingingen. Die Leitungselektronen der C-Atome flossen daraufhin nur noch, wenn sie einer Spannung von 0,5 Volt ausgesetzt waren. Damit hatten die Forscher eine knapp halb so große Barriere wie bei Silizium erzeugt – allerdings gerade dadurch, dass sie den Stoff zu Hilfe nahmen, den sie ersetzen wollen. Außerdem sinkt die Leitfähigkeit von Graphen deutlich, wenn man es mit Silizium kombiniert.

Auch ein anderer Ansatz, in den bereits viel Arbeit geflossen ist, hat noch nicht den großen Durchbruch gebracht: Zerschneidet man eine Graphenschicht in wenige Nanometer breite Bänder, weisen diese eine für die Digitaltechnik geeignete Bandlücke auf. Im Gegensatz zu aktuellen Halbleitern sind solche Nanobänder allerdings viel schwieriger herzustellen. Denn eine Schwankung in der Breite von einem Atomdurchmesser kann bereits einen erheblichen Einfluss auf die Bandlücke haben. Die Erfolgsaussichten dieses Ansatzes seien nach wie vor unklar, fassten Forscher um Frank Schwierz von der Technischen Universität Ilmenau die Lage im Juli 2017 zusammen. Eine der Herausforderungen liegt darin, viele der Bänder auf einem Chip zu platzieren. Dazu fräst man beispielsweise mit Elektronenstrahlen Bahnen in eine Siliziumkarbid-Fläche und bringt anschließend Graphen in den Lücken auf. Mit diesem Verfahren haben Forscher bereits 10000 Graphen-Nanobänder auf einen 24 Quadratmillimeter großen Siliziumkarbid-Chip gepackt.

2013 verkündete EU-Kommissarin Neelie Kroes (rechts) den Start des eine Milliarde Euro schweren »Graphen-Flaggschiffs «. Unter der Leitung von Jari Kinaret (links) soll das Großprojekt Anwendungen für den Wunderstoff auftun.


EU / ETIENNE ANSOTTE; MIT FRDL. GEN. VON GRAPHENE FLAGHSIP

Zu einem Produkt, das es mit handelsüblichen Computerbauteilen aufnehmen kann, ist der Weg jedoch noch sehr weit: In handelsüblichen Mikroprozessoren kommen auf jeden Quadratmillimeter rund zehn Millionen Siliziumtransistoren. Die Vision einer Elektronikrevolution durch Graphen ist somit mehr denn je eine Wette mit ungewissem Ausgang, vielleicht auch eine Sackgasse. Einige Forscher haben den Glauben an die große Markteinführung des Stoffs jedenfalls verloren: »Ich denke nicht, dass die Halbleiter- oder die Solarzellenindustrie auf diesen Zug aufspringen werden«, sagt der Materialwissenschaftler Christian Klinke von der Universität Hamburg. »Die versuchen einige Sachen hier und da, aber das sind eigentlich stets Nischenanwendungen.«

Generell ist den Goldgräbern bisher wenig Wertvolles in die Hände geraten. Zu den Produkten, die den Sprung aus dem Labor geschafft haben, zählen spezielle LED-Glühbirnen, deren Leuchtfäden mit Graphen beschichtet sind und effizienter sowie haltbarer sein sollen. Dazu gesellen sich erste Modelle von graphenhaltigen Tennisschlägern, Motorradhelmen und Rennrädern, deren Besitzer davon profitieren, dass Graphen leicht und zugleich robust ist. In China findet man den Kohlenstoff vereinzelt auch in den Akkus, Displays und Gehäusen von Handys. Bei diesen Anwendungen kommen jedoch längst nicht immer einzelne Kohlenstofflagen zum Einsatz, sondern oft Komplexe aus Nanopartikeln. Sie bestehen aus vielen übereinandergehäuften, verknitterten Graphenschichten. In dieser Form lässt sich das Material deutlich einfacher gewinnen.

In Sachen mechanischer Stabilität prägt derweil eine andere Form von Kohlenstoff seit Langem den Markt: Gehärtete Kohlenstofffasern, die eine ähnliche Struktur wie Graphit aufweisen, verstärken mit ihrer Zugfestigkeit seit Jahren Flugzeugbauteile. Zuweilen werden auch Brücken mit ihnen stabiler gemacht. Mit Graphen im eigentlichen Sinn – das per Definition eine einzelne oder einige wenige isolierte Schichten eines Graphitblocks darstellt – haben diese Anwendungen aber nichts zu tun.

Wenn es um die Vermarktung des vermeintlichen Wundermaterials geht, haben Unternehmer teils kuriose Einfälle: So schlugen einige Wissenschaftler unlängst ein »Graphen-Kondom« vor, das besonders stabil und flexibel sein soll. Wie viele andere Graphen-Anwendungen wirkt das nicht gerade wie eine Materialrevolution.

Auf anderen Anwendungsfeldern gibt es immerhin viel versprechende Laborstudien: In Experimenten bewies Graphen beispielsweise, dass es Terahertz-Wellen übertragen und empfangen kann – und das in rekordverdächtiger Geschwindigkeit. So stellten Forscher um Xinxin Yang von der Chalmers University of Technology in Göteborg 2017 einen flexiblen, auf einer Plastikfolie platzierten Detektor für die langwellige Infrarotstrahlung vor.

Mit der Zeit wurde deutlich, dass die Forscher eine wichtige Eigenschaft von Graphen unterschätzt haben: Das Material weist eine beeindruckende Wärmeleitfähigkeit auf. Das könnte nützlich sein, um Computerchips und Batterieelektroden vor Überhitzung zu schützen. Der chinesische Kommunikationsausrüster Huawei etwa stellte 2016 eine Batterie vor, deren Elektroden Graphen enthalten. Damit ließ sich die Betriebstemperatur des Akkus um fünf Grad Celsius senken. Im Oktober 2018 präsentierte die Firma außerdem ein neues Smartphone, das Graphen als Kühlmaterial für die Batterie verwendet.

Aber auch diese Einsatzzwecke wirken noch wie Nischenanwendungen, die weit entfernt sind von den großen Hoffnungen von einst. Insgesamt scheint das Forschungsinteresse an Graphen momentan etwas abzuflauen. 2017 schrieben Wissenschaftler erstmals, seit Geim und Novoselov das Material isolierten, weniger Fachaufsätze zu der populären Kohlenstoffvariante als im Vorjahr. Mit mehr als 13000 Veröffentlichungen erschienen trotzdem jeden Tag noch ungefähr 36 neue Artikel. In der Patentlandschaft deutet sich ein ähnlicher Trend an: Experten schätzen, dass 2016 und 2017 erstmals nicht länger mehr Patente angemeldet wurden als in den Vorjahren.

Brauchen die Goldgräber bloß einen längeren Atem?

Hat die Europäische Kommission also zu viel Geld in einen halbgaren Traum investiert? Oder braucht man nur mehr Geduld? Wer sich unter beteiligten Wissenschaftlern umhört, kriegt mal die eine, mal die andere Einschätzung zu hören. »Ein wissenschaftliches Projekt, bei dessen Start klar ist, dass es alle Ziele erreichen wird, ist wenig innovativ«, sagt etwa der Nanophysiker Carsten Busse von der Universität Siegen. »Wenn man in zehn Jahren alles geschafft hat, dann hat man sich zu wenig vorgenommen.«

Der am Flaggschiff beteiligte Materialwissenschaftler Vladimir Falko von der University of Manchester verteidigt das Projekt ebenfalls: Zum Start habe man Graphen in erster Linie als elektronisches Material gesehen, bestätigt er. Aber mittlerweile habe man erkannt, sagt Falko, dass es in vielen anderen Gebieten Anwendung finden könnte. »Nun erforscht man mit dem Segen der EU-Kommission eine große Bandbreite an Einsatzzwecken.«

Eine Graphenforscherin, die namentlich nicht genannt werden will, sieht das EU-Großprojekt hingegen deutlich kritischer. Sie spricht von einem unberechtigten Hype, den Graphen entfacht habe. Ihrer Meinung nach wurden Forscher zu früh angespornt, Anwendungen für das Material zu finden. Dabei sei die Wissenschaft dafür noch gar nicht bereit gewesen. Für das EU-Flaggschiff hätten sie und andere sich einen anderen Fokus gewünscht: Statt sich auf ein bestimmtes Material zu konzentrieren, hätte man ein spezifisches Problem auswählen können, das man lösen will, zum Beispiel, kleinere Computerchips zu bauen. So hätte man die Halbleiterindustrie wahrscheinlich schneller revolutioniert, argumentiert die Materialwissenschaftlerin.

Graphen kann elektronische Signale im Gigahertz-Bereich in Pulse mit noch höherer Frequenz umwandeln, berichteten Forscher vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf im Jahr 2018.


HELMHOLTZ-ZENTRUM DRESDEN-ROSSENDORF (HZDR) / JUNIKS; MIT FRDL. GEN. DES HZDR

Sie ist bei Weitem nicht die einzige Kritikerin. Er sehe in Graphen nicht viel mehr als die neue Kohlenstoffnanoröhre, sagte Ross Kozarsky vom US-amerikanischen Marktforschungsunternehmen Lux Research 2015 im Gespräch mit »Nature«. Die aufgerollte Kohlenstoffvariante wurde in den 1990er Jahren mit ähnlich großen Vorschusslorbeeren bedacht wie Graphen. Bis heute sind aber allenfalls Spezialfälle aufgetaucht, in denen sie nützlich sind. Ob es mit Graphen genauso kommt?

Wie schnell und ob eine wissenschaftliche Entdeckung in ein Produkt verwandelt wird, ist generell sehr unterschiedlich. Manchmal klappt es gar nicht. Und mitunter dauert es sehr lange, wie zum Beispiel bei Solarzellen. Alexandre Edmond Becquerel entdeckte schon im Jahr 1839, dass Licht Ladungsträger aus einer Metalloberfläche herauslösen kann. Die erste Solarzelle konnte man jedoch erst Anfang der 1950er Jahre kaufen. 20 Jahre seien im Durchschnitt ein realistischer Zeitraum zwischen Entdeckung eines Materials und seiner Kommerzialisierung, schrieben dagegen die Graphenforscher Amaia Zurutuza und Claudio Marinelli 2014 in einer Analyse. So lange habe es gedauert, bis der heute weit verbreitete Kunststoff Polyethylen außerhalb spezieller Nischen eingesetzt wurde. Ähnlich sei es bei den Aramide-Polymerfasern gewesen: Erst nach zwei Jahrzehnten wurde das als »Kevlar« bekannte Material in kugelsicheren Westen zu einem kommerziellen Erfolg.

Seit der Veröffentlichung der Entdeckung von Graphen sind nun 15 Jahre vergangen. In dieser Zeit haben Wissenschaftler zweifellos Fortschritte gemacht, wenn auch wohl nicht so große wie erhofft. Immerhin ist es heute günstiger denn je, das Material in größeren Mengen herzustellen. 2010 kostete hochwertiges Graphen, das per Gasphasenabscheidung auf einem Siliziumsubstrat aufgebracht wurde, noch rund 1700 Euro pro Quadratzentimeter. Bis 2013 sank der Preis auf gut 270 Euro. Mittlerweile bekomme man defektfreies Graphen dieser Größe schon für unter einem bis sechs Euro, wenn man entsprechend große Mengen abnimmt, sagt Jesus de la Fuente, der Geschäftsführer einer der führenden Produzenten von Graphen. Damit kostet ein Quadratmeter des Stoffs allerdings immer noch zehntausende Euro.

Vielleicht braucht man auch gar nicht so gewaltige Mengen. Als dezente Beigabe könnte der Stoff durchaus manches Produkt verbessern. Darauf deuten jedenfalls die anhaltenden Entwicklungsbemühungen großer Industrieunternehmen hin. Das Forschungsinstitut der Firma Samsung stellte im November 2017 beispielsweise 20 bis 30 Nanometer große »Graphenbälle« her, mit denen sich sowohl die Anoden als auch die Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien beschichten ließen. Die winzigen Kugeln bestehen aus Siliziumdioxid-Nanopartikeln, auf die Graphen aufgedampft wurde, die Forscher sprechen von einem »popcornähnlichen Material«. Damit ausgestattete Lithium-Akkus ließen sich schneller laden und waren noch nach Hunderten von Ladezyklen stabiler als Vergleichsbatterien ohne Graphenbälle, berichten die Forscher. Noch ist allerdings nicht bekannt, wann und ob Samsung die Graphen-Batterien auf den Markt bringen wird.

In Kombination mit anderen Stoffen könnte Graphen doch noch glänzen

Auch in der Mikroelektronik geht der Trend in die Richtung, Graphen zur Verbesserung bereits etablierter Technologien zu verwenden. Statt Silizium abzulösen, soll der Kohlenstoff es also an einigen Stellen sinnvoll ergänzen. »Wenn Graphen allein nicht so gut für spezielle Anwendungen ist, kann man es vielleicht mit anderen klassischen Halbleitermaterialien kombinieren«, sagt Christian Klinke. »So könnte man gewissermaßen das Beste aus beiden Welten erhalten.« 2017 entwickelte ein Team um Frank Koppens vom Barcelona Institute of Science and Technology etwa einen Sensor auf Basis von Silizium-Schaltkreisen, der mit 110000 winzigen Graphen-Lichtdetektoren ausgestattet ist. Die Erfindung könnte sich aus Sicht der Forscher für den Einsatz in Digitalkameras eignen und auch Bilder im Infraroten und Ultravioletten aufnehmen.

2016 züchteten Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung Graphen-Nanobänder mit Zickzackrand. Diese haben nicht nur eine Bandlücke, sondern stellen auch Datenverarbeitung mit Hilfe des Spins von Elektronen in Aussicht.


EMPA PRESSEBILD ZU RUFFIEX, P. ET AL.: ON-SURFACE SYNTHESIS OF GRAPHENE NANORIBBONS WITH ZIGZAG EDGE TOPOLOGY. IN: NATURE 531, 489-492, 2016; MIT FRDL. GEN. VON PASCAL RUFFIEUX, EMPA

Für eine andere Studie aus dem Jahr 2017 entwarfen Wissenschaftler um Marco Romagnoli vom Photonic Networks & Technologies National Laboratory in Pisa einen Kondensator aus Graphen und Silizium, mit dem sich Lichtwellen effizienter verändern lassen als mit manchem verfügbaren Siliziummodulator. Solche Bauteile könnten deutlich höhere Bandbreiten bei der Datenübertragung ermöglichen, prognostizieren die Experten.

Die Leitung des Flaggschiffs wähnt sich mit Blick auf diese und andere Ergebnisse jedenfalls auf Kurs: »Wir haben dieses Jahr eindeutig gezeigt, dass das Flaggschiff nach wie vor auf dem Weg ist, seine Versprechen einzulösen «, schrieb Jari Kinaret, der Direktor des Projekts, im Jahresbericht für 2017.

Ob sich Graphen-Technologien gegen bestehende Produkte durchsetzen werden, wird aber nicht nur von wissenschaftlichen Kriterien abhängen. So müsse eine Technologie von der Industrie erst in ein Produkt verwandelt werden, das dann am Ende vom Konsumenten auch angenommen wird, sagt Carsten Busse. »Das sind Spielfelder, auf denen wir als Wissenschaftler überhaupt nicht mehr mitreden können.« Gerade in der Halbleiterindustrie seien die Hürden für eine Markteinführung von Graphen-Produkten beträchtlich, findet er: »Die siliziumbasierte Technologie hat hier einen gigantischen Vorsprung.« Ein neues Material müsse etwas wirklich grundlegend besser machen, um überhaupt eine Chance zu haben. »Zehn Prozent kleiner oder zehn Prozent schneller, das ist in so einem Fall zu wenig.«

Ein Faktor dürfte ebenfalls sein, wie risikobereit Investoren und Firmen sind und ob sie wirklich einen langen Atem haben. Auffällig ist in dieser Hinsicht, dass man in Ostasien eifriger nach durchschlagenden Graphen-Anwendungen sucht als in Europa. Die Zeitung »China Daily« berichtete im November 2017, dass sich in China knapp 3000 Firmen mit Graphen beschäftigen. Auch die meisten Patente kommen aus dem Land. Den weltweit fleißigsten Goldgräber – beziehungsweise Antragsteller für Graphen-Patente – beheimatet derweil Südkorea: Es ist der Elektronikgigant Samsung.

In Europa hingegen dürfe man die Förderung durch das Flaggschiff nicht überschätzen, findet Christian Klinke: »Wir reden hier pro Jahr von 100 Millionen Euro, auf ganz Europa verteilt.« Für den einzelnen Gruppenleiter entspreche das vielleicht ein oder zwei Doktoranden, die er mehr anstellen könne. »Es ist nicht so, als würde hier jemand mit extremen Summen überhäuft.«

Dabei ist derzeit noch offen, ob der gesamte in Aussicht gestellte symbolträchtige Betrag von einer Milliarde Euro wirklich abgerufen wird. Das Graphen-Flaggschiff sieht eigentlich vor, dass die EU-Staaten selbst vermehrt Forschungsprojekte rund um das Wundermaterial fördern und so die Hälfte des Geldes beisteuern.

Ob sie dies bis 2023 im erwarteten Umfang tun, ist momentan noch unklar. Bisher hat sich vor allem die Regierung Großbritanniens hervorgetan und mehr als 140 Millionen Euro in die Graphenförderung investiert. Knapp die Hälfte des Geldes floss jedoch nicht direkt in Wissenschaftsprojekte, sondern in die Behausung des National Graphene Institute in Manchester. Und die Europäische Kommission? Sie hat bislang weniger Mittel in die Graphen-forschung gesteckt als angekündigt. Laut Finanzierungsplan fließt bis Ende 2020 weniger als die Hälfte der halben Milliarde Euro, die Neelie Kroes angekündigt hatte, in das Graphen-Flaggschiff. Die Leitung habe deshalb beantragt, das Projekt über das ursprünglich anvisierte Ende im Jahr 2023 hinaus zu verlängern, so Flaggschiff-Direktor Kinaret auf Nachfrage. Entschieden sei allerdings noch nichts.

Das wahre Gold

Selbst wenn in den nächsten Jahren kein Graphen-Produkt für den Massenmarkt auftaucht: Die Erforschung des Materials könnte immerhin die Wissenschaft voranbringen, wenn auch nicht zwangsläufig in kommerzieller Hinsicht. So scheint Graphen der Prototyp einer ganz neuen Klasse von Festkörpern zu sein – und könnte doch noch wichtige Impulse für die Materialwissenschaft liefern.

Denn seit es Geim und Novoselov gelungen ist, Graphen herzustellen, haben Forscher auch bei anderen geschichteten Materialien genauer hingeschaut. Oft lassen sich bei diesen ebenfalls einzelne Lagen isolieren. Damit ändern sich die elektronischen Eigenschaften häufig genauso drastisch, wie das beim Übergang von Graphit zu Graphen der Fall ist.

Solche zweidimensionalen (2-D-)Materialien sind in den vergangenen Jahren zu einem der spannendsten Teilgebiete der Physik avanciert. Da ist zum Beispiel hexagonales Bornitrid, dessen Lagen dem Maschendrahtzaun von Graphen sehr ähnlich sind. Die einzelnen Schichten haben isolierende Eigenschaften, leiten also wegen ihrer besonders großen Bandlücke keinen Strom. Sie könnten als Isolierstoff in der Mikroelektronik Anwendung finden.

Wissenschaftler schenken außerdem ultradünnen Halbleitern mehr Aufmerksamkeit, so genannten Übergangsmetalldichalkogeniden, etwa Molybdändisulfid (MoS₂) und Wolframdiselenid (WSe₂). Als Transistor eignen sie sich viel besser als Graphen. Auch in einer Solarzelle sind sie denkbar, denn sie nehmen bei Sonneneinstrahlung mehr als zehn Prozent der eintreffenden Lichtteilchen auf, bei Graphen sind es nur zwei. Der Effekt ist sogar umkehrbar: Bei angelegter Spannung können die Ladungsträger ihre Energie in Form von Photonen abgeben, was sich in winzigen LEDs oder Lasern nutzen ließe.

2015 gelang es Forschern sogar, einen Transistor aus der zweidimensionalen Variante von Silizium herzustellen, so genanntem Silicen. Das Material reagiert jedoch bereitwillig mit der Umgebungsluft und muss daher aufwändig isoliert werden – ein Problem, das einige der 2-D-Stoffe haben. Für großes Aufsehen sorgte auch eine Entdeckung aus dem Jahr 2018, welche »Nature« sogar zu den zehn wichtigsten Wissenschaftserfolgen des Jahres zählt: Im März verwandelte Yuan Cao vom Massachusetts Institute of Technology Graphen in einen Supraleiter. Dazu verdrehte der Doktorand zwei übereinandergelagerte Graphenschichten um 1,1 Grad gegeneinander und kühlte sie auf minus 271,5 Grad Celsius ab. Das Material leitete daraufhin Strom gänzlich ohne elektrischen Widerstand.

Von seinen Leitungseigenschaften her erinnert supraleitendes Graphen an so genannte Cuprate, also kupferhaltige Verbindungen, die bei viel höheren Temperaturen supraleitend werden. Vielleicht, hoffen Materialwissenschaftler, wird man mit dem einfacher zu handhabenden Kohlenstoff die physikalischen Mechanismen hinter dieser Hochtemperatur-Supraleitung besser verstehen lernen.

Letztlich haben Wissenschaftler durch die Graphenforschung nicht nur neue Materialien entdeckt, sondern völlig neue Phänomene, die in so genannten topologischen Isolatoren auftreten (sieheSpektrum Februar 2019, S. 50). Diese weisen eine große Bandlücke auf und leiten daher elektrischen Strom eigentlich nicht. Doch an ihrer Oberfläche können sich Ladungsträger frei bewegen, was langfristig bei der Entwicklung futuristischer Quantencomputer helfen könnte.

In den vergangenen Jahren haben Materialwissenschaftler auch das Dreidimensionale wiederentdeckt. Sie experimentieren heute damit, verschiedene 2-D-Materialien aufeinanderzuschichten. So lassen sich die jeweiligen Besonderheiten der einzelnen Lagen räumlich nutzen. Beispielsweise haben Forscher schon erste Solarzellen aus übereinandergeschichtetem MoS₂ und Graphen hergestellt: Ersteres absorbiert die Photonen effizient, während Graphen die erzeugten Elektronen schnell weiterleitet.

»Nur weil Graphen jetzt vielleicht etwas weniger stark leuchtet als früher, heißt es nicht, dass es nicht ein guter Forschungsansatz war«, sagt Christian Klinke. »Eventuell stoßen wir irgendwann plötzlich auf ein anderes Wundermaterial, das die Ansprüche erfüllt.«

Im europäischen Flaggschiff hat man sich den Entwicklungen jedenfalls angepasst. Graphen ist längst nicht mehr der alleinige Fokus des Großprojekts. Ungefähr zwei Drittel der insgesamt 15 Teilprojekte geben nun an, dass sie auch mit anderen 2-D-Materialien arbeiten. Vielleicht entpuppen diese sich ja als das wahre Gold der Materialwissenschaft.

Mehr Wissen aufSpektrum.de

Unser Online-Dossier zum Thema finden Sie unterspektrum.de/t/graphen

ISTOCK / 3ALEXD

QUELLEN

Cao, Y. et al.: Unconventional Superconductivity in Magic-Angle Graphene Superlattices. In: Nature 556, S. 43–55, 2018

Conrad, E. H. et al.: Semiconducting Graphene from Highly Ordered Substrate Interaction. In: Physical Review Letters 115, 136802, 2015

Geng, Z. et al.: Graphene Nanoribbons for Electronic Devices. In: Annalen der Physik 529, 1700033, 2017

Son, I. H. et al.: Graphene Balls for Lithium Rechargeable Batteries with Fast Charging and High Volumetric Energy Densities. In: Nature Communications 8, S. 1–11, 2017

Novoselov, K. et al.: A Roadmap for Graphene. In: Nature 490, S. 192–200, 2012

AUF EINEN BLICK STOFF SUCHT ANWENDUNG

1 Extrem dünne Schichten aus Kohlenstoff haben verblüffende Eigenschaften, unter anderem sind sie sehr stabil und leiten Strom extrem gut.

2 Weltweit, auch in Europa, wurden enorme Summen in die Erforschung von Graphen investiert. Eine revolutionäre Anwendung ist jedoch nicht in Sicht.

3 Graphen gilt immerhin als wichtiger Prototyp für die Klasse zweidimensionaler Materialien. Diese könnten die Mikroelektronik entscheidend verbessern.