Dreidimensionales Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

Eine internationale Forschergruppe hat an der Infrarot-Beamline IRIS am Elektronenspeicherring BESSY II erstmals die optischen Eigenschaften von dreidimensionalem nanoporösen Graphen untersucht. Die Experimente zeigen, dass sich die plasmonischen Anregungen (Schwingungen der Ladungsdichte) in diesem neuen Material durch Porengröße und das Einbringen von Fremdatomen präzise steuern lassen. Dies könnte die Herstellung von hochempfindlichen chemischen Sensoren ermöglichen.

Kohlenstoff ist ein sehr vielseitiges Element. Es bildet nicht nur Diamanten, Graphit und Kohle, sondern kann sich auch in der Ebene zu einem flachen Netz mit sechseckigen Maschen verbinden, dem Graphen. Dieses aus nur einer Atomlage bestehende Material besitzt eine Reihe extremer Eigenschaften, es ist hochleitfähig, optisch transparent und mechanisch sowohl flexibel als auch belastbar. Für die Entdeckung dieser exotischen Kohlenstoff-Form erhielten André Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik. Und erst vor kurzem ist es einem japanischen Team gelungen, zweidimensionales Graphen zu einer dreidimensionalen Architektur mit nanometergroßen Poren aufeinanderzustapeln.

Plasmonen nach Wunsch

Ein Forscherteam unter Federführung einer Gruppe der Universität Sapienza in Rom hat nun erstmals die optischen Eigenschaften von 3D-Graphen eingehend an BESSY II untersucht. Das Team konnte aus den gemessenen Daten ermitteln, wie sich Ladungsdichteschwingungen, so genannte Plasmonen, im dreidimensionalen Graphen ausbreiten. Dabei stellten sie fest, dass diese Plasmonen den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie in 2D-Graphen folgen. Die Frequenz der Plasmonen lässt sich im 3D-Graphen jedoch sehr genau kontrollieren: entweder durch Einbringen von Fremdatomen (Dotierung) oder über die Größe der Nanoporen, oder auch, indem man bestimmte Moleküle gezielt an das Graphen anlagert. Damit könnte sich das neuartige Material auch für die Herstellung von spezifischen chemischen Sensoren eignen, schreiben die Autoren in Nature Communications. Es ist außerdem interessant als Elektrodenmaterial für den Einsatz in Solarzellen.

Vorteile der IRIS-Beamline genutzt

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher die IRIS-Beamline an der Berliner Synchrotronquelle BESSY II genutzt. Dort steht breitbandige Infrarotstrahlung zur Verfügung, was insbesondere die spektroskopische Untersuchung von neuartigen Materialien mit Terahertz-Strahlen ermöglicht. „Durch den low-Alpha Modus, eine besondere Betriebsform des BESSY II-Speicherrings, war es möglich, die optische Leitfähigkeit von dreidimensionalem Graphen mit besonders hohem Signal-zu-Rausch Verhältnis zu messen. Mit Standard-Methoden ist dies vor allem im Terahertz-Bereich kaum möglich. Gerade dieser Bereich ist aber wichtig, um entscheidende physikalische Eigenschaften zu beobachten“, sagt Dr. Ulrich Schade, Gruppenleiter an der Infrarot-Beamline.

Die Arbeit wurde in Nature Communications (2017) publiziert: „Terahertz and mid-infrared plasmons in three-dimensional nanoporous graphene“; Fausto D’Apuzzo, Alba R. Piacenti, Flavio Giorgianni, Marta Autore, Mariangela Cestelli Guidi,Augusto Marcelli, Ulrich Schade, Yoshikazu Ito, Mingwei Chen & Stefano Lupi

DOI: 10.1038/ncomms14885