Werkstoff: Graphen

Super lässt sich steigern

Das Wundermaterial Graphen lässt sich jetzt wie Eisen magnetisieren. Wasserstoffatome machen das möglich. Ist damit auch ein neuer digitaler Speicher geboren?

13.05.2016, von Manfred Lindinger

© S. M. Hollen & J. A. Gupta, Science, AAS Auf dem hexagonalen Graphengitter sitzen Wasserstoffatome, die mit ihren Spins Ferromagnetismus (blaue Pfeile) oder Antiferromagnetismus (braune Pfeile) hervorrufen.

Einlagige Graphitschichten, sogenanntes Graphen, zeichnen sich durch exzellente mechanische, elektrische und optische Eigenschaften aus. Der häufig als Wundermaterial titulierte Stoff lässt sich mittlerweile sogar in einen Supraleiter verwandeln. Einzig der Magnetismus hat bislang im Repertoire der Materialeigenschaften gefehlt. Nun ist es einer spanisch-französischen Forschergruppe gelungen, diese Lücke mit Wasserstoffatomen zu schließen.

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Bei Graphen handelt es sich um eine zweidimensionale Substanz. Die Kohlenstoffatome sind ähnlich wie beim Graphit in einer Wabenstruktur miteinander verknüpft. Sie bilden auf diese Weise ein ausgedehntes, nur eine Atomlage dünnes hexagonales Gitter. Damit Graphen magnetisch wird, müssen einzelne Elektronenspins (Eigendrehimpulse) vorkommen. Die Valenzelektronen in den Atomorbitalen der gekoppelten Kohlenstoffatome treten jedoch immer nur paarweise auf, wodurch kein resultierendes magnetisches Moment entsteht. Graphen ist deshalb im Normalzustand unmagnetisch. Es wird nur in einem extrem starken Magnetfeld diamagnetisch.

Magnetismus in Graphen hervorrufen

Seit einigen Jahren gibt es Versuche, Magnetismus in Graphen hervorzurufen. Dazu bombardiert man die zweidimensionale Kohlenstoffmodifikation mit Atomen, die einzelne Atome aus dem Graphenverbund herausschlagen. Zwar lassen sich mit diesem recht brachialen Verfahren ungepaarte Elektronenspins mit magnetischen Momenten erzeugen. Ferromagnetismus, wie man ihn von magnetisiertem Eisen her kennt, ließ sich auf diese Weise allerdings bislang nicht bewirken.

Magnetisches Graphen © CIC Nanogune Madrid Vergrößern Ein Wasserstoffatom leuchtet auf einer Graphenoberfläche.

Einen eher sanften Ansatz verfolgt Iván Brihuega von der Universidad Autónoma de Madrid mit seinen Kollegen. Die Forscher machen sich den Umstand zu nutze, dass ein Wasserstoffatom, das mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist, sein schwaches magnetisches Moment an seinen Bindungspartner überträgt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die magnetische Wirkung des Wasserstoffs für atomare Maßstabe recht weit streut. Das führt dazu, dass die Kohlenstoffatome in Graphen das magnetische Moment eines gebundenen Wasserstoffatoms in ihrer Nähe spüren.

Brächte man nun weitere Wasserstoffatome auf eine Graphenoberfläche, so die Idee von Brihuega und seinen Mitarbeitern, ließe sich das zuvor unmagnetische Material in einen Magneten verwandeln. Dabei kommt es allerdings auf den Abstand der gebundenen Wasserstoffatome untereinander an. Ist er zu groß, ist die Gefahr groß, dass sie auf verschiedenen Untergittern der hexagonalen Wabenstruktur des Graphens sitzen. Dann können sie sich nicht entsprechend verstärken, und es tritt kein Magnetismus auf.

Eigendrehimplus entwickelt magnetisches Moment

Es kommt deshalb darauf an, die Wasserstoffatome möglichst exakt zu plazieren, wozu man üblicherweise ein Rastertunnelmikroskop verwendet. Das Instrument lässt sich wie eine Pinzette für Atome nutzen. In ihrem Experiment haben Brihuega und seine Kollegen eine Graphenprobe zunächst bis auf minus 268 Grad gekühlt und dann behutsam mit Wasserstoff bedampft. Die tiefe Temperatur bewirkte, dass die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome keine störenden Wärmebewegungen ausführten. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops schoben die Forscher die Wasserstoffatome an die gewünschte Stelle im Graphen. Mit ihrer Sonde konnten sie jeden Arbeitsschritt verfolgen und untersuchen, wie sich dabei die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Probe veränderten.

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Dort, wo sich ein Kohlenstoffatom mit einem Wasserstoffatom verbunden hatte, entstand ein ungepaartes Elektron, dessen Eigendrehimplus ein magnetisches Moment entwickelte. Plazierte man ein weiteres Wasserstoffatom in seiner Nachbarschaft, begannen die beiden Elektronenspins magnetisch miteinander zu interagieren und sich zu verstärken. Mit jedem hinzugefügten Wasserstoffatom wurde der Effekt stärker, und es bildete sich tatsächlich ein ferromagnetischer Bereich im Graphen, wie die Forscher in der Zeitschrift „Science“ berichten. Die magnetischen Momente der Wasserstoffatome zeigten in ein und dieselbe Richtung.

Waren die Wasserstoffatome des leichtesten Elements auf verschiedenen Untergittern verteilt, trat eine antiferromagnetische Ordnung auf. Die magnetischen Momente waren nun nicht mehr exakt parallel zueinander orientiert. Der Magnetismus schwächte sich ab oder verschwand vollständig, wenn sie antiparallel ausgerichtet waren. Durch gezieltes Verschieben der Wasserstoffatome auf dem Graphengitter konnten die Forscher den Magnetismus ein- und ausschalten. Da man Elektronenspins beispielsweise zum Speichern von Informationen nutzt, könnte man Graphen schon bald als digitalen Speicher nutzen.

Quelle: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/magnetisches-graphen-digitaler-speicher-der-zukunft-14212544.html vom 13.05.2016