Aachen - Aachener Wissenschaftler ziehen die Superfolie auf

Aachener Wissenschaftler ziehen die Superfolie auf

Von: Axel Borrenkott
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Atomdünn, sauschnell und superstark: Graphen ist ein zweidimensionaler Kristall aus hexagonal (sechseckig) angeordneten Kohlenstoffatomen. Jedes Atom ist von drei weiteren umgeben, so dass sich das Muster einer Bienenwabe ergibt. Animation: EU-Flagship-Initiative
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„Das kriegen wir hin“ sagen die Blicke von Prof. Heinrich Kurz (l.) und Dr. Daniel Neumaier, AMO GmbH. Foto: Borrenkott

Aachen. Es wird das Wundermaterial des 21. Jahrhunderts genannt. So oft, dass die Erwartungen gen Himmel schießen: Graphen soll die Computerwelt auf den Kopf stellen und gleichzeitig das Plastik der Zukunft werden. Sicher ist, dass der hauchdünne Kohlenstoff so fantastische Eigenschaften hat, dass er tatsächlich die Welt verändern könnte.

 Europa will jetzt eine Milliarde Euro dafür ausgeben, dass es an der Spitze dieser Veränderung steht. Aachener Wissenschaftler mischen dabei ziemlich vorne mit.

Graphen ist Graphit mit nur zwei Dimensionen, ein Kohlenstoff, der nur aus einer Schicht von Atomen besteht und daher dünn und transparent wie eine Folie ist. Theoretisch seit Ende der 1940er Jahre für möglich gehalten und 1962 von dem deutschen Chemiker Hans-Peter Boehm beschrieben, wiesen 2004 Konstantin Novoselov und Andre Geim nach, dass die zweidimensionale Struktur tatsächlich herstellbar ist.

Fantastische Eigenschaften

2010 wurde den beiden russisch-britischen Wissenschaftlern dafür der Nobelpreis in Physik verliehen, nicht zuletzt wegen der Anwendungsfähigkeit aufgrund der ungewöhnlichen Eigenschaften des Stoffs: Graphen ist hart wie Diamant, dabei wesentlich leichter und 200 Mal so reißfest wie Stahl. Das macht es interessant als superfestes Material für Autos, Flugzeuge und Maschinen, bis hin zu allen möglichen Gebrauchsgegenständen wie Fahrräder und Tennisschläger.

Mindestens so bedeutsam sind aber die elektronischen Eigenschaften. Graphen leitet Strom weit besser als Silizium, das heutige Standardmaterial für Chips, seine Elektronen sind 200 Mal beweglicher und brauchen viel weniger Energie. Zudem hat Graphen die beste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Materialien. Neue, ultraschnelle Transistoren, extrem schnelle Optokoppler, erheblich schneller ladbare Akkus und zusammenrollbare Smartphones scheinen nur noch eine Frage der Zeit.

Eben solche Visionen der Informations- und Kommunikationstechnologie will die Europäische Kommission jetzt mit einem gigantischen Förderprogramm zur „raschen wirtschaftlichen Nutzung“ treiben. Mit ihrer sogenannten Flaggschiff-Initiative soll in den kommenden zehn Jahren eine Milliarde Euro für die weitere Erforschung und die Anwendbarkeit von Graphen mobilisiert werden. Die Aachener AMO GmbH gehört sozusagen zu den „Gründungsmitgliedern“ dieser Initiative.

„Das ist schon ein irres Tempo.“ Heinrich Kurz (69), Gründer und Geschäftsführer der AMO, Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik, emeritierter Inhaber des Lehrstuhls für Halbleitertechnik der RWTH und wahrlich erfahren, Entwicklungen der Chips-Technologie voranzutreiben, scheint einerseits über die Rasanz des Graphen-Booms zu staunen, hat sie aber auch selbst befördert.

„Wir hatten schon 1991 hier in Aachen Graphit untersucht und mussten es dünner machen, damit es transparent wird. Dass es ein fantastisches Material für nichtlineare Optik ist, war uns klar. Doch für die Entdeckung der faszinierenden elektronischen Eigenschaften einer einzelnen Monolage reichte unsere Kreativität oder unsere Phantasie nicht aus.“

Mit dieser Erfahrung im Rücken, testeten die Aachener dann schon 2006, ganze zwei Jahre nach der Entdeckung also, wie Graphen anstelle von Silizium funktioniert. Im Jahr darauf hatte man den ersten Graphen-Transistor entwickelt und damit weltweit wissenschaftliche Beachtung gefunden. Ein öffentlich gefördertes Projekt löste das andere ab – und 2009 gewann man dann den jungen Wissenschaftler, der seither mit Leidenschaft und reichlich ausgewiesener Expertise die derzeit fünfköpfige Graphen-Forschungsgruppe bei AMO leitet.

„Massive Herausforderung“

Dr. Daniel Neumaier (33) hat in München studiert und in Regensburg promoviert und schon eine Reihe von wegweisenden Publikationen zu Graphen hervorgebracht. Er gehört – als einziger Deutscher – zu dem neunköpfigen Konsortium europäischer Wissenschaftler, das im vergangenen Jahr den dann erfolgreichen Antrag im Wettbewerb der Flaggschiff-Initiative formuliert hatte. Kopf der jungen Mannschaft und Koordinator des gesamten Projekts ist der Physiker Jari Kinaret von der Chalmers Universität im schwedischen Göteborg. Ein Finne, der, so Heinrich Kurz, „mit den Möglichkeiten einer privaten Universität weder Tod noch Teufel fürchtet und einfach sagt: ‚Wir machen das!‘“

Und zu machen ist noch einiges in der Grundlagenforschung, bevor man sich das Handy um den Hemdsärmel rollen kann. Noch lange nicht gelöst ist etwa das Kernproblem „wie mehrere Graphen-Transistoren zusammenwirken, wie man zu komplexeren Schaltungen kommt“, sagt Neumaier, der sich speziell damit befasst. Prozesstechnologie, Defektfreiheit und funktionale Sicherheit sind die Megathemen, die es in den nächsten Jahren zu beackern gilt. Prof. Kurz: „Das wird eine massive Herausforderung für Europa.“

Dieser Herausforderung stellen sich 126 akademische und industrielle Forschergruppen aus 17 europäischen Ländern, darunter auch mehrere Teams aus der RWTH. Eine Gruppe um den Physiker Prof. Markus Morgenstern untersucht die Struktur von Graphen auf der Nanoskala, der Juniorprofessor Christoph Stampfer, auch II. Physikalisches Institut, befasst sich mit Grundlagen der Spintronik, und Renato Negra, ebenfalls Juniorprofessor in der Fakultät für Elek­trotechnik, exploriert die Potenziale von Graphen in der Hochfrequenztechnik. Hier besteht die engste Verbindung zur Kernkompetenz von AMO, wo Höchstfrequenz-Komponenten für die Kommunikationstechnologie erforscht werden, von der Datenübertragung bis zur Entwicklung von Sensoren.

Korea investiert mehr als Europa

Die Schlacht, in die Europa dieses (und noch ein weiteres, siehe Kasten) Flaggschiff schickt, wird auf wissenschaftlichem, letztlich aber ökonomischen Feld mit den mächtigen Konkurrenten aus den USA und noch mehr aus Asien geschlagen. China, Korea, Singapur und Japan investieren massiv in die Entwicklung von Graphen, Korea allein 1,5 Milliarden. Das meiste Geld kommt vom Kommunikations-Konzern Samsung, der auf einen Riesenmarkt für flexible Touchscreens und Flachbildschirme setzt.

„Eine Milliarde für ganz Europa über den Zweitraum von zehn Jahren ist eigentlich zu wenig“, findet denn auch Kurz, „um in diesem globalen Wettbewerb zu bestehen.“ Zumal noch gar nicht klar ist, wie der Betrag zusammenkommen soll. Die Grundidee ist, dass die EU die Hälfte zahlt und die andere von den Forschungsgruppen eingeworben beziehungsweise von der beteiligten Industrie beigesteuert wird. Unmittelbar beteiligt sind zum Beispiel Nokia, Philips und Aixtron. Gesichert ist bislang die Förderung der ersten 30 Monate mit insgesamt 54 Millionen Euro. Davon bekommt AMO knapp 670 000, die RWTH 770 000 Euro.

„Wir kriegen also nicht viel Geld, aber der Erwartungsdruck ist sehr hoch“, sagt Kurz. Entscheidend sei, „dass wir in diesen 30 Monaten die Industrie überzeugen, dass sie Feuer fängt“. Noch, sonst müsste er das wohl nicht sagen, sei die europäische Industrie insgesamt „etwas zögerlich“. Dabei gebe es keine forscherischen oder technologischen Probleme, die nicht gelöst werden könnten. Graphen kann schon in Bahnen von über 20 m2 hergestellt werden. „Das Problem sind die Entwicklungskosten“, um eine prinzipiell zur Verfügung stehe Technologie zu marktreif zu machen.

Unternehmen mutig genug?

Und, kann das Ganze scheitern? Schließlich gibt es auch Kritiker, die die Erwartungen für überzogen halten. „Weltweit wird es nicht scheitern“, ist sich Kurz sicher, für Europa könne man es aber nicht ausschließen. „Wenn es scheitert, dann am mangelnden unternehmerischen Mut. Das ist die große Schwäche.“ Ein Repräsentant von Samsung habe ihm mal gesagt: „You have the Nobel-Prize-Winners, we have the markets.“

„Graphen wird aber auch nicht alles erfüllen können, was man sich heute so vorstellt“, sagt Daniel Neumaier. Es werde auch noch lange nicht Silizium in Computerchips ganz ersetzen, eher werde es eine Koexistenz von Silizium und Graphen geben. Aber wird das Wundermaterial die Welt verändern? Heinrich Kurz: „Nicht auf einmal, aber schrittweise und evolutionär.“

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