Nanomaterialien

Welche Aussage über Struktur und Eigenschaften von Graphen trifft zu?

  1. AEine einatomige Lage aus tetraedrisch über sp³-Bindungen verknüpften Kohlenstoffatomen, die wie Diamant ein elektrisch nichtleitender Isolator ist
  2. BEine einatomige Lage aus sp²-gebundenen Kohlenstoffatomen in Sechsecken, die aber wegen des Quantengrößeneffekts ein Halbleiter mit großer Bandlücke von 1 eV oder mehr ist
  3. CEine einatomige Lage aus sp²-gebundenen Kohlenstoffatomen in Sechsecken (Wabenstruktur) mit nahezu verschwindender Bandlücke und sehr hoher Elektronenbeweglichkeit in der Ebene
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Lösung: C. Eine einatomige Lage aus sp²-gebundenen Kohlenstoffatomen in Sechsecken (Wabenstruktur) mit nahezu verschwindender Bandlücke und sehr hoher Elektronenbeweglichkeit in der Ebene

Graphen ist eine einzelne Lage, die man aus Graphit herauslöst; darin bilden die Kohlenstoffatome durch starke kovalente Bindungen über sp²-Hybridorbitale ein wabenförmiges Netz aus Sechsecken. Leitungs- und Valenzband berühren sich nur punktförmig an den K- und K′-Punkten der Brillouin-Zone (Dirac-Kegel); daher zeigt Graphen halbmetallisches Verhalten mit nahezu verschwindender Bandlücke, und die Ladungsträgerbeweglichkeit ist auch bei Raumtemperatur sehr hoch. Da die sp²-Bindungen in der Ebene äußerst stark sind, erreichen auch Festigkeit, Elastizitätsmodul und Wärmeleitfähigkeit in der Ebene hohe Werte. Tetraedrische sp³-Bindungen, die zu einem Isolator führen, kennzeichnen den Diamanten. Sauberes einlagiges Graphen besitzt außerdem keine Bandlücke in der Größenordnung von 1 eV; um eine Lücke zu öffnen, sind besondere Maßnahmen nötig, etwa schmale Nanobänder herzustellen oder an zweilagiges Graphen ein senkrechtes elektrisches Feld anzulegen.

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