FESTKÖRPERPHYSIK. Die Elektronen in Graphen verhalten sich ziemlich ungewöhnlich.
Graphit und Diamant (um die modischen Fullerene einmal auszulassen): Diese zwei Modifikationen des Kohlenstoffs kennt man von alters her. Ihre Eigenschaften könnten unterschiedlicher kaum sein. Diamant ist das härteste Mineral, ein elektrischer Isolator und ziemlich wertvoll; Graphit ist weich, leitend und für Wegwerfbleistifte billig genug. Die Unterschiede liegen in der Bindung.
Im Diamant bilden alle vier Außenelektronen des Kohlenstoffs chemische Bindungen aus; damit sitzt jedes C-Atom in der Mitte eines Tetraeders aus vier anderen C-Atomen. Die Bindungen in allen Raumrichtungen gleichmäßig verteilt: Das macht hart.
Ganz anders im Graphit. Da beteiligen sich nur drei der Außenelektronen an Bindungen, die alle in einer Ebene, in einer Schicht liegen: Jedes Atom sitzt in der Mitte eines Dreiecks, anders betrachtet: Jedes Atom ist ein Eck eines Sechsecks. Die übrig gebliebenen Elektronen (eines pro Atom) halten sich bevorzugt ober- und unterhalb dieser Ebene auf, sie sind für den Zusammenhalt der Schichten zuständig. Der sehr schwach ist: Wenn man mit einem Bleistift (recte: Graphitstift) schreibt, lösen sich einzelne Schichten von der Mine und bleiben auf dem Papier.
Ein isolierte solche Kohlenstoff-Schicht nennt man Graphen, mit Betonung auf der zweiten Silbe. Lange dachte man, es sei unmöglich, diese quasi zweidimensionale Kohlenstoff-Form zu erzeugen, erst 2004 gelang es Physikern der Universität von Manchester. Seither ist Graphen für Theoretiker und Experimentatoren eine Herausforderung. Für Theoretiker deshalb, weil sie ihre Festkörper-Modelle, die sich auf Gitter-Periodizität in drei Dimensionen gründen, in einen simplen 2-D-Fall umgießen können. In dem einiges anders ist. Zum Beispiel berühren sich in Graphen das Leitungsband und das Valenzband einander in genau einem Punkt (in Halbleitern sind sie durch eine Bandlücke getrennt). Das beschert den Elektronen außergewöhnliche Freiheit: Sie können sich in der Ebene über große Distanzen frei bewegen. Und das macht Graphen zu einem Kandidaten für elektronische Bauteile, die die Vorsilbe „nano“ mit vollem Recht tragen.
Einige der von der Theorie vorhergesagten Eigenschaften konnten Physiker um Zhiqiang Li (Columbia University) nun mit Infrarot-Spektroskopie bestätigen (Nature Physics, 8.6.). Doch die Messungen brachten auch neue Herausforderungen an die Theorie: So scheinen die Wechselwirkungen zwischen Elektronen („Vielkörperproblem“) wichtiger zu sein, als man bisher dachte.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 10.06.2008)