Auf Knopfdruck hart wie Diamant

New York (USA) - Schon eine extrem dünne Schicht aus nur zwei Atomlagen Kohlenstoff kann so hart werden wie Diamant. Diese Entdeckung gelang nun einem internationalen Forscherteam mit dem Kohlenstoffmaterial Graphen, auf das sie lokal Druck ausübten. Wie die Physiker in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, konnte selbst eine harte Diamantspitze nicht in den hauchdünnen Film aus Kohlenstoff eindringen. Diese verblüffende Eigenschaft könnte zur Entwicklung extrem leichter, durchsichtiger aber dennoch hoch widerstandsfähiger Beschichtungen führen.

„Es war verblüffend zu sehen, dass ein nur zwei Atome dünner Film härter sein konnte als ein Diamantkristall“, sagt Elisa Riedo von der City University of New York. Für diese Entdeckung deponierte die Physikerin mit ihren Kollegen mehrere Lagen aus dem erst 2004 entdeckten Kohlenstoffmaterial Graphen auf einer Oberfläche aus Siliziumkarbid. Danach drückten sie die Spitze eines Atomkraftmikroskops auf diese Schichten. Diese wurden dabei plötzlich extrem hart und konnten nicht mal mit einer Diamantspitze verformt werden. Berechnungen ergaben eine immense Festigkeit mit einem Elastizitätsmodul von mehr als 1000 Gigapascal.

Weitere Analysen mit einem Rasterelektronenmikroskop offenbarten den Grund für diese verblüffende Stabilität. Unter dem Druck der Mikroskopspitze vollzogen die Graphenschichten einen Phasenwechsel. Dabei bildete sich eine nur zwei Atome dicke Schicht aus, in denen sich die Kohlenstoffatome in Tetraedern wie in einem Diamanten anordneten. Den dabei entstandenen Film nannten die Forscher Diamen. Das Kunststück gelang jedoch nur mit genau zwei Graphen-Lagen. Dünnere und dickere Schichten zeigten den kompletten Phasenwechsel nicht und blieben deutlich weicher.

Parallel bestimmten Riedo und Kollegen auch die elektrische Leitfähigkeit ihrer Graphen- und Diamen-Schichten. Unter Druck nahm diese wegen des Phasenwechsels in die Diamantstruktur deutlich ab. Ohne drückende Mikroskopspitze stieg sie jedoch prompt wieder an. Dieses Verhalten legt nahe, dass der Phasenwechsel völlig reversibel war. Auf dieser Grundlage könnten nun extrem leichte und dünne Schutzschichten entstehen, die erst bei einer Druckbelastung hart wie Diamant werden. Auch Anwendung in der Nanoelektronik können sich die Forscher wegen des reversiblen Verhaltens gut vorstellen.