Mit biegsamen Bildschirmen geht es los

bild der wissenschaft: Herr Professor von Klitzing, wie würden Sie einem Laien erklären, was Graphen ist?

Klaus von Klitzing: Kohlenstoff kennt man von Diamanten und Graphit, der etwa in Bleistiftminen steckt. Graphen ist im Prinzip nichts weiter als eine Struktur, wie man sie erhält, wenn man mit einem Bleistift einen Strich zieht. Man reibt dabei einzelne Schichten des Graphits ab. Und wenn diese so dünn sind, dass sie nur noch eine Atom-lage ausmachen, hat man Graphen.

Was ist daran so besonders?

Das Interessante ist, dass man in der Lage ist, einzelne atomar dünne Schichten zu präparieren und daran zu experimentieren. Das geht sogar sehr leicht: Man kann die Schicht mit einem Tesafilm abziehen. Ich hätte das früher nicht für möglich gehalten. Doch 2004 ist es erstmals gelungen. Heute wiederholen Tausende von Forschergruppen diese Prozedur, um Graphen für physikalische Experimente zu gewinnen.

Worin liegt für Physiker die Faszination von Graphen?

Faszinierend ist natürlich, dass sich Graphen so einfach gewinnen lässt – auch wenn das Abrollen mit Tesafilm für industrielle Anwendungen uninteressant ist. Beeindruckend ist aber auch, dass man mit Graphen zum ersten Mal ein wirklich zweidimensionales elektronisches System hat. Ich arbeite seit etwa 40 Jahren an 2D-Systemen. Aber kein anderes als Graphen ist wirklich zweidimensional. Die bisher untersuchten 2D-Materialien verhalten sich bloß in manchen elektronischen Eigenschaften so: Elektronen können sich nur in einer Ebene bewegen. Die Materialien sind dennoch recht dick. Graphen dagegen ist so dünn wie ein einziges Kohlenstoff-Atom – und es ist zudem elektrisch leitend. Spannend ist auch, dass das Material mechanisch sehr stabil und zugleich flexibel ist.

Warum sind zweidimensionale Schichten so interessant?

Sie sind eine eigene Klasse von Systemen, die eine ganz neue Art der Physik beinhalten. Entdeckungen wie der Quanten-Hall-Effekt, wofür ich 1985 den Nobelpreis bekam, sind nur an 2D-Systemen möglich. Deshalb hat Graphen auch sofort mein Interesse geweckt.

Was sind die wichtigsten Eigenschaften für künftige Anwendungen?

Dass man eine flexible und zugleich elektrisch leitende extrem feine Schicht hat. Wenn es bald biegsame Touch-Screens geben wird, dann spielt Graphen dabei eine wichtige Rolle. Ich habe gerade auf einer Tagung einen Vortrag von Samsung-Forschern dazu gehört. Sie meinten, in normalen Displays werde zwar weiterhin Indium-Zinnoxid, ITO, verwendet. Das war vor einiger Zeit noch sehr teuer, ist aber nun preisgünstiger geworden. Doch wenn es um biegsame Bildschirme geht, wird es interessant für Graphen. Flexible und transparente Touch-Screens werden wohl eine der ersten Anwendungen dieses Materials sein. Denn Graphen ist auch durchsichtig. Es lässt 97 Prozent des Lichts passieren. Auch in Solarzellen könnte Graphen künftig zum Einsatz kommen. So gibt es die Vorstellung, Fensterscheiben damit zu belegen und darin Solarzellen zu integrieren. Doch davon sind wir noch weit entfernt, bis dahin ist noch viel Forschungsarbeit notwendig.

Gibt es Ideen für Anwendungen außerhalb der Elektronik?

Graphen kann Moleküle stoppen, die hindurch diffundieren wollen. Auch das eröffnet Perspektiven. Wenn Lebensmittel nicht so schnell verderben sollen, muss man verhindern, dass Sauerstoff durch die Verpackung dringt. Dafür wäre Graphen viel besser geeignet als eine Plastikfolie. Wenn es gelänge, Graphen als Verpackungsmaterial zu nutzen, hätte man damit eine ideale Diffusionsbarriere. Zudem gibt es den Ansatz, kleine Löcher in eine Graphen-Schicht zu bohren, um so Wasser und Salz voneinander zu trennen – in neuartigen Entsalzungsanlagen. Auch die enorme Festigkeit von Graphen ist wichtig. So ließe sich möglicherweise die Stabilität von Beton durch Graphen verbessern. Auch Flugzeugbauer sind an besonders leichten, stabilen und elektrisch leitenden Materialien interessiert.

Wie viel ist bis dahin noch zu tun?

Noch sehr viel. Die elektronischen Eigenschaften von Graphen bei Raumtemperatur sind zwar sehr gut. Doch wenn jemand etwa behauptet, dass er damit das Silizium in der Mikroelektronik ablösen kann, halte ich das für unrealistisch. Denn es gibt etliche Probleme, die Graphen für elektronische Schaltkreise ungeeignet machen. Dazu wäre ein halbleitendes Material mit einer sogenannten Energielücke nötig, um elektrische Ströme energiearm schalten zu können. Das geht bei Graphen nicht. Es hat zwar eine Energielücke, aber die ist zu klein. Sie ließe sich künstlich vergrößern, aber das bereitet große technische Schwierigkeiten. Bei anderen Bauelementen, wo es zum Beispiel auf Schnelligkeit ankommt, hat Graphen aber Vorteile.

Was sind die größten Herausforderungen?

Die liegen in der Herstellung. Eine der größten Herausforderungen ist es, einkristalline Graphen-Schichten großtechnisch zu erzeugen. In der Forschung machen wir das gerne nach wie vor mit der Tesafilm-Methode. Aber damit sind nur sehr kleine Flächen zu gewinnen. Ein aussichtsreiches Verfahren ist die sogenannte Chemical Vapor Deposition. Damit lässt sich auf einer Kupferfolie eine monoatomare Lage von Graphen abscheiden. Allerdings muss man danach das Kupfer entfernen – und das ist aufwendig und teuer. Mich beeindruckt vor allem, was im Fernen Osten, in Japan, Südkorea und China, geschieht: Dort gelingt es bereits, quadratmeterweise dünne transparente Graphen-Folien herzustellen. Dazu wird das Graphen auf eine Unterlage aus Kunststoff aufgebracht. Bereits 2015 wollen asiatische Hersteller daraus flexible Touch-Screens in den Markt einführen.

Was sind momentan besonders „heiße” Entwicklungen in der Graphen-Forschung?

Manche Forscher stellen nicht bloß eine Einzelschicht her, sondern sie fügen zwei oder mehrere Schichten aufeinander. Dadurch ergeben sich ganz andere Materialeigenschaften. Man kann so ganze Stapel erzeugen. Indem man etwa Graphen im Wechsel mit elektrisch isolierendem Bornitrid schichtet, entstehen künstliche Kristalle. Besonders verwegen wäre es, zu versuchen, auf diese Weise neuartige Supraleiter zu erzeugen. Doch was bisher mit Stapeln aus 2D-Schichten erreicht wurde, ist noch nicht anwendungsreif.

Die exzellenten Eigenschaften von Graphen haben bei vielen hohe Erwar- tungen geweckt. Ist der aktuelle Hype um das vermeintliche Wundermaterial gerechtfertigt?

Die Gefahr bei einem solchen Hype ist immer, dass Hoffnungen geweckt werden, die sich nicht erfüllen lassen. Ich meine: Hypes sind schädlich für die Grundlagenforschung, sehr oft zumindest. Dadurch läuft die Forschungsförderung meist in Wellen ab: Während eines Hypes gibt es viel Fördergeld. Dann finden sich viele Gruppen, die auf das Thema aufspringen – und die ihre Arbeit natürlich verkaufen müssen. So werden Visionen erzeugt, die teilweise unrealistisch sind.

Haben Sie ein Beispiel dafür parat?

Wir haben das etwa bei der Hochtemperatursupraleitung gesehen, wo alle gesagt haben: Die löst unsere Energieprobleme. Viel Geld wurde in die Forschung auf diesem Gebiet gesteckt. Doch der Erfolg ist nicht proportional zum Geld. Wenn wir heute schauen, was aus der Hochtemperatursupraleitung geworden ist, sehen wir vor allem viele offene Fragen. Wichtig sind clevere Ideen und Kontinuität. Supraleitung bei Raumtemperatur ist eine große Vision. Das kann man nicht mit Geld erzwingen. Dasselbe gilt für Anwendungen von Graphen.

In einem „Flagship-Projekt” fördert die Europäische Union die Graphen-Forschung zehn Jahre lang mit einer Milliarde Euro. Halten Sie das für sinnvoll?

Aus Sicht der Grundlagenforschung halte ich das für wenig sinnvoll. Auch die Max-Planck-Gesellschaft sieht das so. Als die Flagship-Idee aufkam, hat sie klar entschieden: Es gibt keine Extra-Gelder aus zentralen Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft, um solche Großprojekte zu fördern. Denn die EU bezahlt nur die Hälfte der Milliarde Euro, die anderen 50 Prozent der Fördergelder müssen aus den einzelnen Ländern kommen. Manche Länder haben dafür extra Sonderprogramme gestartet. Deutschland hat das nicht getan. Daher sind wir bei dem Flagship-Projekt etwas unterrepräsentiert.

Ist das ein Nachteil?

Das wird man vielleicht in zehn Jahren sehen. Aber es ist erst einmal ein Fakt, dass wir ein bisschen außen vor sind. Bis Ende des Jahres wird da aber etwas passieren. Denn die EU möchte gern alle Länder mit im Boot haben. Allerdings muss man wissen: Momentan sind etwa 140 Partner aus 23 europäischen Ländern Mitglieder des Flagship-Konsortiums, wobei eine ganze Universität als ein Partner angesehen wird. Wenn man das herunterrechnet, bleibt für jede Gruppe weniger übrig, als bei einem erfolgreichen nationalen Förderantrag. Bei einem solchen Megaprojekt sehe ich die Gefahr, dass ein immenser zusätzlicher Aufwand entsteht: ein Overhead von Extra-Arbeiten, Reisen und Abstimmungen. Ich glaube nicht, dass das für die Grundlagenforschung der beste Weg ist.

Also wären viele kleine Forschungsprojekte besser?

Aus der Sicht der Grundlagenforschung: ja. Lieber dezentral. Auch die Flexibilität bliebe so erhalten. Bei Mammutprojekten ist es anders: Solange es Geld dafür gibt, bleiben Forscher gewöhnlich bei einer Sache – auch wenn andere Themen inzwischen interessanter sind. Sie haben Ankündigungen gemacht, Visionen entwickelt und Meilensteine gelegt. Daher harren sie bei dem Projekt aus – und stellen es dann am Ende der finanziellen Förderung ein. Aber das ist nicht der Sinn von effizienter Forschungsarbeit.

Droht die Grundlagenforschung denn gegenüber der anwendungsorientierten Forschung ins Hintertreffen zu geraten?

Wenn man davon ausgeht, dass die Summe des Geldes konstant ist, könnte man zum Schluss kommen, dass eine Art der anwendungsnahen Förderung wie im Flagship-Projekt der EU für die Grundlagenforschung durchaus schädlich sein kann.

Wie ist die deutsche und europäische Graphen-Forschung international aufgestellt?

Wenn ich die enorme Dynamik in Ostasien sehe, vor allem in China, muss ich eingestehen: Wir sind nicht mehr einsame Spitze. Natürlich spielen wir noch in der ersten Liga mit und sind international anerkannt. Aber für die Zukunft habe ich Bedenken, ob wir mit dem Fernen Osten mithalten können. Wir dürfen uns nicht auf unseren Lorbeeren ausruhen. Unsere Stärke liegt in der Grundlagenphysik. In Singapur oder China bekommen Sie als Forscher so viel Geld, wie Sie haben wollen – doch Sie müssen nach drei Jahren ein Produkt abliefern. Das funktioniert meistens nicht. In Deutschland hingegen arbeiten wir stets an der Grenze unseres Wissens und wollen dieses Wissen weiter ausdehnen. Doch dabei müssen wir auch ein Fingerspitzengefühl dafür haben, wo sich das Wissen anwenden lässt.

Was müsste geschehen, um unsere Position zu stärken?

Ein Wissenschaftler, der neue Erkenntnisse hat, muss wissen, wo er diese abliefern kann. Dazu ist die Kommunikation zwischen Forschung und Industrie entscheidend. Doch dieser Austausch ist schwieriger geworden, denn die meisten Manager in der Industrie sind Kaufleute, die andere Prioritäten haben. Viele Forscher wissen daher nicht, welche aktuellen Fragen die Industrie interessieren. Damit nehmen wir uns die Chance auf einen Transfer zwischen Forschung und Industrie.

Wie tief sind die Physiker bereits in die Geheimnisse der Nanowelt eingedrungen?

Je besser wir atomare Strukturen erforschen, desto mehr neue Fragen entstehen. Im Moment haben wir immer noch mehr offene Fragen als Fakten. Wir sind zwar in der Lage, Atome recht gut zu kontrollieren, und wir können die Qualität neuer Materialien gut charakterisieren. Aber es gibt andererseits viele Systeme, über die wir noch kaum etwas wissen.

Wir erleben eine spannende Zeit in der Festkörperforschung. Dennoch hat man den Eindruck, dass in den Medien die Teilchenphysik dominiert. Sind Festkörper nicht sexy genug?

Die Hochenergiephysik hat es nötiger als wir, offensiv in die Öffentlichkeit zu treten. Denn das Potenzial der Festkörperphysik ist viel größer. In der Industrie weiß man: Die Erkenntnisse der Festkörperphysik sind wichtig für unsere wirtschaftliche Zukunft. Bei den Hochenergiephysikern, die etwa die Grundlagen des Universums erforschen, ist das anders: Sie leben vor allem vom Staunen der Öffentlichkeit. Zudem lassen sich ihre Themen publizistisch einfacher aufarbeiten.

Seit 2007 gab es keinen deutschen Physik- oder Chemie-Nobelpreisträger mehr. Haben wir in Deutschland noch die richtigen Forschungsstrukturen und sind wir an den richtigen Themen dran?

Bevor ich den Nobelpreis bekommen habe, gab es sehr lange keinen Nobelpreis für deutsche Wissenschaftler. Zu solchen Phasen kommt es immer wieder. Ich bin stolz, dass es die Max-Planck-Gesellschaft gibt. Sie ist ein einzigartiger Ort, um nobelpreiswürdige Forschung zu betreiben. Zusammen mit der Vorläuferorganisation, der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft, hat sie bis heute 32 Nobelpreise hervorgebracht. Zumindest da haben wir in Deutschland ein Saatbeet für exzellente Forschung.

Sie bekamen 1985 den Physiknobelpreis für die Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts. Was hat sich daraus entwickelt?

Die ganz große Anwendung kommt 2018 mit dem neuen internationalen Einheitensystem. Man will die sieben Basiseinheiten alle auf Naturkonstanten zurückführen. Das ist heute schon so mit dem Meter: Ein Meter ist definiert über die Strecke, die das Licht in einer bestimmten Zeit durchläuft – und die Lichtgeschwindigkeit ist eine Naturkonstante. Das Ur-Meter wurde abgeschafft. Auch das Ur-Kilogramm soll abgeschafft werden – um es durch einen festen Wert für die Planck-Konstante zu ersetzen. Es gibt nämlich Experimente, die mit hoher Genauigkeit eine eindeutige Verbindung zwischen Masse und Planck-Konstante erlauben. Das Interessante dabei ist, dass bei einem dieser Experimente der Quanten-Hall-Effekt eingesetzt wird – eine unerwartete Anwendung! Nun wird in dem neuen Einheitensystem sogar die „von-Klitzing-Konstante” als feste Größe auftauchen. Davon wird man in den nächsten Jahren sicher noch viel hören.

Wie wichtig ist für einen Wissenschaftler die Auszeichnung mit einem Nobelpreis?

Vor allem in Amerika und Asien ist das sehr wichtig. In manchen Ländern gibt es Sonderprogramme nur mit dem Ziel, einen Nobelpreis zu ergattern. Und in Seoul steht schon der Sockel für den ersten naturwissenschaftlichen Nobelpreisträger aus Korea. Der Nobelpreis ist noch immer der am höchsten angesehene internationale Wissenschaftspreis – obwohl es andere Preise gibt, die mehr Geld einbringen. Für Konferenzen sind Vorträge von Nobelpreisträgern enorm bedeutsam. Ich habe schon Einladungen für Plenarvorträge auf Tagungen im Jahr 2018. •

Das Gespräch führte Ralf Butscher