Wie die Geometrie Materialeigenschaften bestimmt

Für Manche mag es eine triviale Erkenntnis sein, dass nicht allein die (atomaren) Bausteine der Materie ihre Eigenschaften bestimmen; Wichtig ist zudem die Anordnung und Bindung zwischen diesen Bausteinen, um zu verstehen was die Welt… – Beispiel Kohlenstoff: Ordnet man diesen mit vier Nachbarn (ebenfalls Kohlenstoff) in dessen sp3-hybridisierter Form an, erhält man Diamat, bei nur drei Nachbarn (man spricht von sp2-hybridisierung) in einem Bienenwabenmuster, erhält man Graphit (mehrere Schichten, man kennt dies aus der Bleistiftmine) oder Graphen – genau eine Lage Kohlenstoff in sechseckiger Anordnung.

Graphen Nanobändchen (GNRs) sind nun Streifen solch hexagonal angeordneter Kohlenstoffatome, an deren Rändern sich typischerweise noch einige Wasserstoffatome als Endgruppen befinden.
Das Interesse an diesen immer noch vermeintlich simplen Strukturen beruht auf der Vielzahl an Varianten und vor allem den daraus resultierenden Materialeigenschaften, die sich innerhalb dieses Spielraums (sp2-Kohlenstoff mit Wasserstoff am Rand) ergeben.

In einer kürzlich unter Führung meines Kollegen Qiang Sun veröffentlichten Arbeit beschreiben wir die faszinierenden Eigenschaften von GNRs aus aneinandergereihten Pyren-Einheiten. Diese besitzen eine überraschend kleine elektrische Bandlücke und verhalten sich damit fast wie Metalle. Wir konnten nachweisen, das die Struktur dieser GNRs auch bei deren Einbau in Nanotransistoren weitgehend intakt bleibt. Elektrische Messungen bei sehr niedrigen Temperaturen (ca. -260°C) erlauben es dann die verbleibende Bandlücke zu beobachten, womit dieses Material besser in die Kategorie Halbleiter als Metall einzuordnen ist.

Sun, Q., Gröning, O., Overbeck, J., Braun, O., Perrin, M. L., Borin, G., El, M., Eimre, K., Ditler, E., Daniels, C., Meunier, V., Pignedoli, C. A., Calame, M., Fasel, R., Ruffieux, P., Massive Dirac Fermion Behavior in a Low Bandgap Graphene Nanoribbon Near a Topological Phase Boundary. Adv. Mater. 2020, 32, 1906054. https://doi.org/10.1002/adma.201906054