Strukturelle und Elektronische Eigenschaften des Graphens auf Diamant

Kohlenstoff, das wohl essentiellste aller Elemente, existiert in zwei unterschiedlichen anorganischen Kristallformen: als Diamant und als Graphit. Die elektronischen Eigenschaften von Diamant und Graphen - einer einzelnen Lage Graphit - könnten unterschiedlicher nicht sein. Eine Bandlücke von ca. 6 eV im Diamant führt zu einem elektrischen Widerstand von 10 8 Ohm.m. Im Gegensatz dazu besitzt Graphen keine Bandlücke am Fermi Niveau, was zu einem Halbmetall Verhalten mit außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften führt. Die resultierende Frage ist, was passiert wenn man diese zwei außergewöhnlichen Materialien in eingen Kontakt bringt. Ziel dieses Projekts ist es eine Antwort darauf zu finden. Zu diesem Zweck planen wir die Synthese von Graphen-Diamant Systemen (GOD) um die elektronischen und strukturellen Eigenschaften an der Grenzfläche zu untersuchen. Die durch dieses Projekt entstehende Synergie der Gruppen des Instituts der Physik (IoP) (Tschechische Akademie der Wissenschaften) und der Gruppe Physik Nanostrukturierter Materialien (UW) (Universität Wien), vereinigt die Expertisen im Bereich der Diamant- (IoP) und Graphenforschung (UW) und ermöglicht die Ergänzung, der zur Durchführung notwendigen wissenschaftlichen Instrumente.

Es war das Ziel des Projekts ATEGOD, die atomaren Mechanismen der Graphitisierung von Diamantoberflächen zu untersuchen. Eine wesentliche Motivation war die Synthese von Graphen mit einer extrem hohen Ladungsträgermobilität als aktiver Kanal und Diamant in der Rolle eines Substrats mit einem großen elektrischen Widerstand und außergewöhnlicher thermischer Leitfähigkeit. Eine derartige Kombination könnte die Basis für neuartige elektronische Bauelemente wie z.B. Radio-Frequenz-Transistoren und Quanten-Spin-Sensoren bilden. Unser Team, bestehend aus Mitgliedern der Arbeitsgruppe Physik Nanostruktrierter Materialien an der Universität Wien und Kollegen von der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik fokusierte die wissenschaftlichen Aktivitäten primär auf eine katalytisch getriggerte Graphitisierung von Diamant mit verschiedenen Korngrößen und kristallinen Orientierungen. Es wurde ein vertiefendes Verständnis der dabei relevanten physikalischen und chemischen Mechanismen erzielt. Die Resultate wurden in 10 internationalen wissenschaftlichen Zeitschriften open-access publiziert und in über 20 internationalen Konferenzen präsentiert. Um die Ausbildung von Nachwuchswissenschaftler im Rahmen des multidisziplinären Projekts ATEGOD zu ermöglichen, wurde eine Doktorarbeit von Herr Semir Tulić, MSc mit dem Titel "Transformation of diamond surface to graphene - mechanisms and properties" durchgeführt. Im Rahmen seiner Forschung hat Herr Tulić den Dr. Tasilo Prnka Prize für eine hervorragende wissenschaftliche Präsentation bei der internationalen Konferenz NanoCon 2017 erhalten. Für die direkte, nicht katalytisch geförderte Graphitisierung von Diamant bestehen derzeit noch offene wissenschaftliche Fragestellungen. In diesem Zusammenhang wurden bereits erste Experimente in Zusammenarbeit mit der Universität Cergy-Paris durchgeführt. In einem größeren Rahmen unter Einbindung von Aspekten der Quantentechnologie wurde auch ein umfangreiches bilaterales wissenschaftliches FWF-ANR Nachfolgeprojekt QUEEN eingereicht.