[gʁa'feːn] Das Wundermaterial Graphen. Graphen - Überblick. Graphen - Herstellung (im Labor) I. Graphen

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1 Das Wundermaterial Graphen und andere Überraschungen der Kohlenstoffphysik : 1 (0,14 nm) [gʁa'feːn] Graphen Überblick und (einfache) Herstellung Die ganz besondere Physik (u.a. Klein Effekt) Die Nobelpreisträger 2010 (mögliche) Anwendungen Noch mehr Kohlenstoff: Die Physik im Leben(digen) Interesse wecken durch mehr Komplexität (!) im Unterricht Unordnung ist das halbe Leben: Spaghetti, Bier und Gummis Surfactants und (Bier-) Schaum Überraschende Aerodynamik des Schaums In eigener Sache Angebote für Schüler (und Lehrer) Oberviechtach, Graphen - Überblick 2004 (identifiziert) Graphen - Herstellung (im Labor) I Bastelstunde...! Ränder... armchair 2-D zigzag... 0-D (Bucky-Balls) verschiedene 1-D Tubes 3-D (Graphit) erstaunlich einfach:...erstaunlich robust und fehlerfrei! nicht farbig: => besondere Eigenschaften! 1980-er 1990-er 1550-er erst 1789 als identifiziert. 3 4

2 Graphen - Herstellung (im Labor) II Graphen Bildergalerie Bilder: Physik, Uni Regensburg unkommentiert... :-) hohe Kunst: reinigen, schneiden, kontaktieren, frei schwebend ätzen aber wegen Robustheit: chemisches reinigen, Lithographie etc. möglich arbon Wonderland, Scientific American, Die ganz besondere Physik des Graphens I Die ganz besondere Physik des Graphens II zwei sehr verschiedene Ränder (Spins!) sehr fehlerfreier Kristall Halbleiter, Energielücke = 0 masselose (Quasi-)Teilchen! vgl. E = p2 bestätigt durch QHE 2m Dirac-Gleichung relativistische Theorien experimentell zugänglich Klein-Effekt lineare Bandstruktur (aus Gittersymmetrie) große Fermi- Geschwindigkeit v F = c 300 = 1000 km s (!) besonders schnelle Bauteile aber: Transistoren? --> nie aus! (Tricks denkbar) Quasi- Elektron in Graphen: vgl. Photon: E = ~v F k E = ~ck Ladungsträger in Graphen können nicht abgebremst, nur reflektiert werden - hohe Leitfähigkeit - sehr schnelle Schaltprozesse - unempfindlich gegen Störungen - QHE auch bei Raumtemperatur (oder: 300K = Tieftemperatur-Limes) - aber: zu große Störungen verändern die lineare Bandstruktur Relativistische QM (Dirac-Gleichung für masselose Fermionen) ~ Pauli-Matrizen (r) v F ~ ~r (r) =E (r) zweikomponentige Wellenfunktion vgl. Neutrino-Physik! 7 8

3 Die ganz besondere Physik des Graphens III Die ganz besondere Physik des Graphens IV Klein-Effekt (aus der QED) Dirac-Gleichung: Zustände negativer Energie, Antiteilchen (--> Vorhersage des Positrons) Spintronik unterschiedliche Ränder + Spin-Hall-Effekt SFB 689 normale QM: Klein-Effekt: Teilchenenergien weit unter Paar-Erzeugungs-Schwelle relativistische Teilchen haben ständig virtuelle Teilchen-Antiteilchen-Wolke um sich sie können deshalb eine Barriere als Antiteilchen durchdringen (zu 100%), wenn energetisch günstiger Anti-Teilchen Zustand existiert (bei Photonen nicht der Fall) Spins, Spintronik Dotierungen, double layer --> können zu Energielücke führen, klassische Elektronik, nur schneller Übergitter --> Metamaterialien Tarnkappen? n<0? mechanisch starke Verbiegung --> mathematisch wie B-Feld von 300 T Molekulare Schalter Der Klein-Effekt wurde erstmals an Graphen beobachtet, in der Teilchenphysik sind die Energiebarrieren zu schwierig zu realisieren! Funktionalisierung, Sensorik Bilder: Uni Regensburg 9 10 Andre Geim Die Nobelpreisträger 2010 Konstantin Novoselov (Mitarbeiter von Andre Geim) Einschub: Schwebende Frösche IGNobelpreis 2000 (nutzloseste Forschung des Jahres) wegen des Diamagnetismus... für Andre Geim schwebender Frosch bei 16 T * in Sotschi (mit Wolga-Deutschen Wurzeln) * in Nischni Tagil (Ural) : Nach ursprüngl. Ablehnung: Studium der Physik Physikalisch-Technischen Institut Moskau (MFTI) 1987 Promotion IFTT in Tschernogolowka (nahe Moskau) Nottingham, Bath, Kopenhagen, Nottingham in Nijmegen, lehnt dortige Professur ab. seit 2001 Prof. in Manchester : Studium Physik und Quantenelektronik Physikalisch-Technischen Institut Moskau (MFTI) (Abschluss mit Auszeichnung) Magnet-Hochfeldlabor in Nijmegen Niederlande ab 2001 in Manchester (Zusammenarbeit mit Geim) 2004 Promotion (durch die Univ. Nijmegen/Niederlande) sonstiges: Gecko-Tape Blödsinn kann sooo kreativ sein!...tomate geht auch! 11 12

4 Graphen: mögliche Anwendungen Graphen: mögliche Anwendungen II flexible Touchscreens --> bereits TV-Größe erreicht, Sungkyunkwan University, Korea Interface Biologie - Elektronik? , physicsworld.com hemische Nase Idee: andocken an DNA oder Proteine sehr selektiv, Verankerung und Kontakt deutlich besser als andere Oberflächen Bsp.: Bestimmte Krebsarten können Hunde riechen Elektronik noch nicht... Quanten-omputer links: single layer, D: harge Detector rechts: Bilayer Quantenpunkt, KIT... und viele viele andere... Bakterien in Graphen einschließen --> Verdunstungsschutz im TEM (Berry, Kansas) The Graphene Song Bio-kompatibel? Nano-Röhren sammeln sich in Zellen an (Niere?), mechanisches Verstopfen? Graphen? unbekannt... (zu groß?) aber Graphit, Aktivkohle ungiftig Physik der Bio-Welt besser verstehen! 15 16

5 Noch mehr Kohlenstoff: Physik im Leben(digen) Interesse wecken durch Komplexität Wann wird über Schulphysik diskutiert?...auch in der Pause?? Lichtenberg (Physiker, ) Was? Die Sache verstehen, wenn man disputieren will? Ich behaupte, dass zu einem Dispute notwendig ist, dass wenigstens einer die Sache nicht versteht, worüber gesprochen wird, und dass in dem sogenannten lebendigen Disput in seiner höchsten Vollkommenheit beide Parteien nichts von der Sache verstehen, ja nicht einmal wissen müssen, was sie selber sagen. [...] (Sudelbuch, E71) Komplexe Probleme (im Sinne von vielfältig!) oft gar nicht so schwierig in Einzelaspekten! Zuviel Schema F? vgl. Spiegel Online, : 26 Schafe + 10 Ziegen = 36 Jahre Unordnung ist das halbe Leben: Spaghetti, Bier und Gummis I Schaum Random Walk ~R N = ~ R N 1 + ~a ( ~ R N ) 2 =( ~ R N 1 ) 2 +(~a) ~ R N 1 ~a {z } =0(im Mittel) h( ~ R N ) 2 i = N (~a) 2 bzw. h ~ R N i = ~a pn (für große N) h ~ R N i = ~a N 0,6 (self-avoiding 3D) Bilder: Der Random Walk ist unabhängig vom konkreten mikroskopischen Modell! - entropische Kräfte - das Zusammenziehen von Polymeren bei Wärme N größer, a kleiner bei N a =konst. - nicht-newtonsche Flüssigkeiten ( Kuchenteig an Rührstab ) - (einfache) Diffusion -... Denken in Erwartungswerten bzw. Durchschnitten auch ohne Quantenmechanik! Lipidmembranen in lebenden Zellen gibt auch mit 2 Ärmchen

6 Aerodynamik von Schäumen Einschub: Lipidmembrane selbstorganisierte 2-D Flüssigkeit Elastische Deformation drückt von oben vgl. Inverser Magnus Effekt für nicht-nowton sche Flüssigkeiten In eigener Sache In eigener Sache Veranstaltungen Studiengänge , 9-16:30 Uhr Hochschul-Informationstag (Univ. und HS) > 100 Physik, B.Sc., M.Sc. 35 Nanoscience, B.Sc. (M.Sc.) 17 omputational Science, B.Sc. (M.Sc.) ca. 60 Lehramt Gymnasium ca. 40 Lehramt RS, HS, GS k.a , Uhr NAHT.SHAFFT.WISSEN in Regensburg , Uhr Tag der offenen Tür Fakultät für Physik, Uni Regensburg Laborführungen Führungen durch Forschungs-Labore für Schülergruppen/ Klassen auf Zuruf, ca. 2-3 Wochen Vorlauf, bitte bei mir melden NWT physik.ur.de Regensburger Schülerlabor (RSL) Dr. Giglberger Studienberatung Schnupper vorlesung jederzeit. ham sse aus Schulkla 23 24

7 * Graphen Zusammenfassung außergewöhnliche Physik in 2D - sehr robust - lineare Dispersionsrelation, masselose schnelle Quasi-Elektronen - Test für QED: Dirac-Gleichung, Klein-Effekt - Spintronik, insbesondere mit Randeffekten. außergewöhnliche Technik Fakultät für Physik Universität Regensburg Kontakt joerg.mertins@ur.de Raum Phy , Tel Flexible Bildschirme; Elektroniken - Qubits für Quantencomputer - spezifische chemische Sensorik * Lebendiger Kohlenstoff * Wir... - viele wichtige Aspekte, die Physiker beschäftigen - komplexe Fragestellungen/Phänomenologie, die mit wenig Mathematik auskommen - ungewöhnliche Einblicke und Überraschungen - haben spezielle Angebote für Schüler (und Lehrer) - freuen uns, wenn Sie und mal besuchen wollen! Literatur: Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Viele frei zugängliche Paper zu Graphen, z.t. gut verständliche Zusammenfassungen (Gruppe Geim): Dollet et al.: Anti-Inertial Lift in Foams:... PRL 95, (2005) Benckert et al.: Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education, 2008, 4(2), Dambeck: ( ) Lichtenberg: Aphorismen, Reclam, ISBN