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Technologie

Graphen - die dünnste Folie der Welt

Die Forschung ist begeistert, auch Infineon interessiert sich für das Material. Schüler erkundeten die Hintergründe.
Von der Klasse 8 B des Von-Müller-Gymnasiums in Regensburg.

Im Reinraum muss Schutzkleidung getragen werden. Foto: Konrad Wöhner

Regensburg.Eine Hängematte, die stabil genug ist, das Gewicht einer vier Kilogramm wiegenden Katze auszuhalten, aber nur so viel wiegt wie ein Katzenhaar. Ein Tennisschläger, dessen Gewichtsverteilung man durch Einsatz eines stabilen und relativ leichten Materials gezielt beeinflussen kann und dessen Rahmen-Aufbau über eine einzigartige Schock-Absorption verfügt. Diese Dinge haben eines gemeinsam: Ein wichtiger Bestandteil ist Graphen, ein Material, das seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 die Forschung begeistert – die jedoch noch in den Kinderschuhen steckt, was die Herstellung des Stoffes in Reinform im großen Maßstab betrifft.

Auch die Firma Infineon Technologies AG interessiert sich für Graphen. In sogenannten Reinräumen – steril wirkende Räumen, in weißes Licht getaucht, voll glänzender Maschinen – findet am Standort in Regensburg die Produktion von Halbleitern oder auch „Chips“ statt. Hier wird auch geforscht und experimentiert.

Die „Wafer“-Herstellung

„Das Besondere am Werk in Regensburg“, so Wolfgang Zirngibl vom Bereich Öffentlichkeitsarbeit, „ist, dass hier als einzigem Standort weltweit beide Bereiche der Halbleiter-Prozessierung vorhanden sind: Frontend und Backend.“ Bei der Frontend-Technologie wird der gesamte „Wafer“, der als blanke, unbearbeitete Silizium-Scheibe von einem Zulieferbetrieb gekauft wird, bearbeitet und dann in kleine „Chips“ zersägt. Dann kommen diese in eine Backend-Anlage, wo diese „Chips“ gemäß ihrer bestimmten Funktion verwendet werden. Die gesamte Produktionszeit eines Halbleiters oder „Chips“ bis zum Endprodukt umfasst zwischen 21 und 35 Wochen. Dafür, dass in diesem Zeitraum stets kontrolliert werden kann, wo sich jeweils eine Silizium-Scheibe gerade befindet, sorgt das „Single-Wafer-Tracking“: Jeder „Wafer“ wird mit einer Kennung mit Barcode versehen. Unter der Kennung werden alle Verarbeitungsschritte in einer Datenbank gespeichert. Dies ist auch deshalb wichtig, weil ein Teil der „Wafer“-Bearbeitung nicht ausschließlich am Standort in Regensburg, sondern auch in Südostasien durchgeführt wird.

Im Reinraum gab es für die Schüler viel zu entdecken. Foto: Selina Langer

Die elektronischen Grundbauelemente der „Halbleiter-Chips“ sind Transistoren. Diese sorgen für die Steuerung der elektrischen Spannungen und Ströme. Transistoren sind in sehr geringer Größe produzierbar, jedoch wird es „bald nicht mehr möglich sein, diese noch kleiner herzustellen“, erklärt der Physiker Dr. Werner Breuer. Um aber die Chips noch effizienter und leistungsfähiger zu machen und diese gleichzeitig so klein wie möglich zu halten, wird in der Forschung nach einer Alternative zu Transistoren gesucht. Daher sind auch die Forscher bei Infineon Technologies AG auf das Material Graphen aufmerksam geworden. Graphen besteht aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, die wabenförmig angeordnet sind. Es ist also die „dünnste Folie der Welt“, so Dr. Werner Breuer. Die Herstellung dieses Materials war 2004 erstmals den russischen Physikern Andre Geim und Konstantin Novoselov von der University of Manchester gelungen, weshalb ihnen 2010 der Physik-Nobelpreis verliehen wurde.

Varianten von Graphen

Dies führte zu einem wahren „Graphen-Hype“, der bis heute anhält. Viele Firmen weltweit verkaufen heute schon Graphen, wobei es sich aber nicht um den einlagigen Stoff – das „echte Graphen“ – handelt, sondern um Varianten von Graphen. Für bestimmte Anwendungen sind jedoch auch diese Varianten nutzbar und es ist hierbei nicht nötig, reines Graphen zu verwenden – beispielsweise bei der Herstellung von „Touch Screens“.

„Echtes“ Graphen aber ist einlagig und bis heute nur in geringen Mengen zuverlässig herstellbar. Aufgrund seiner zahlreichen faszinierenden Eigenschaften käme das Kohlenstoffmaterial jedoch für unterschiedlichste Verwendungsmöglichkeiten infrage, weshalb auch ein Teil der Forschung und Entwicklung bei Infineon Technologies AG sich diesem Thema widmet: Zunächst ist es extrem leicht – ein menschliches Haar ist 200 000 Mal dicker als eine Lage Graphen. Seine „Flächenmasse“ ist ebenfalls beeindruckend: Ein Fußballfeld aus Graphen hätte eine Masse von 5,45 Milligramm. Auch die Zugfestigkeit von Graphen überzeugt, denn diese ist 120 bis 200 Mal höher als die von Stahl.

Elektronische Leitfähigkeit

Für die Halbleiter-Produktion von Infineon wäre insbesondere die elektronische Leitfähigkeit von Graphen interessant, um als Alternative zu Transistoren zu dienen und zur verbesserten Leistung von ultraschnellen Transistoren führen zu können. Es erlaubt als dünnstes leitendes Kohlenstoffmaterial überhaupt einen fast widerstandsfreien Stromtransport, denn, so Dr. Werner Breuer: „Elektronen können sich in der Graphenstruktur sehr schnell und nahezu ungestört bewegen.“ Das bedeutet auch, dass sie in Graphen um eine Vielfaches schneller sind als in Silizium. Zudem besitzt Graphen im Gegensatz zum bisher gängigen Halbleitermaterial zusätzlich interessante optische Eigenschaften – es ist lichtdurchlässig, also transparent. Dadurch wäre es auch für Leuchtdioden und Displays ein hervorragendes Material. Darüber hinaus macht die thermische Leitfähigkeit von Graphen, also das Leiten von Wärme, dieses interessant für Forschung und Entwicklung.

Verschiedene Methoden

Versuchsanordnung zur Gewinnung von Graphen Foto: Konrad Wöhner

Bislang konnte Graphen nur in kleinen Mengen produziert und prozessiert werden. Um das Kohlenstoffmaterial herzustellen gibt es verschiedene Methoden: Ein Beispiel ist die mechanische Exfoliation, auch als „Nobelpreis-“ oder „Scotch-Tape-Methode“ bezeichnet, die auch die Physiker Geim und Novoselov anwandten – und die Schüler wie die der Klasse 8 B nachahmen können. Bei diesem Experiment wird ein Streifen Tesafilm auf einen Graphitblock gedrückt – die Nobelpreisträger machten dies mit einem Bleistift – und daraufhin schnell abgezogen. Dadurch lösen sich Elemente von Graphit vom Block und bleiben auf dem Klebeband zurück. Wiederholt man den Vorgang des Abziehens des Klebebands, werden die auf diesem befindlichen Kohlenstoffschichten immer dünner. So entsteht aus Graphit schließlich Graphen, eine einlagige Schicht, wie Untersuchungen im Mikroskop zeigen. Weitere Methoden der Graphen-Herstellung sind laut Chemiker Dr. Alexander Zöpfl zum Beispiel die chemische Gasphasenabscheidung und die chemische Exfoliation, also die Oxidation und Reduktion von Graphit, oder die Exfoliation mit einem einfachen Küchenmixer.

Hängematte aus Graphen

Ob neben einer Hängematte aus Graphen, die so stabil ist, das Gewicht einer vier Kilogramm wiegenden Katze auszuhalten, aber nur so viel wiegt wie ein Katzenhaar, auch weitere Produkte aus reinem Graphen hergestellt werden können, ist derzeit noch unklar. Die Forschung arbeitet intensiv an Ergebnissen und hofft, dass sie diese in einigen Jahren auch vorweisen kann. Welche Produkte dann tatsächlich aus Graphen entstehen können, bleibt eine spannende Frage. Graphen ist das Material der Zukunft.

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