6 okt. 2009
2 minuten
Een internationale groep onderzoekers heeft ontdekt dat grafeen als halfgeleidermateriaal geschikt is. Dit leek tot nu toe onmogelijk. Door het materiaal simpelweg op te rekken ontstaan de eigenschappen die nodig zijn voor een goede halfgeleider. FOM-werkgroepleider Mikhail Katsnelson van de Radboud Universiteit Nijmegen, Andre Geim en Francisco Guinea, publiceerden hun resultaten online in het gerenommeerde tijdschrift Nature Physics van 27 september.
Grafeen heeft geen ‘bandgap’ in het energiespectrum, een karakteristieke eigenschap van materialen die in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt. In grafeen kan echter wel een bandgap worden geopend, zo blijkt nu, door het materiaal op te rekken. Grafeen is zeer flexibel en tot 20% oprekbaar zonder onzuiverheden in het materiaal te introduceren. Als grafeen opgerekt wordt verandert de electronische structuur. Niet alle manieren van oprekken kunnen van grafeen een betere transistor maken, maar als de krachten langs de hoofdrichtingen van het hexagonale kristalrooster werken, ontstaat een halfgeleider-bandgap die groot genoeg is voor toepassingen in de elektronica. Oprekking van grafeen kan gebruikt worden om nieuwe varianten van grafeen te maken met eigenschappen die beter of anders zijn dan die van het oorspronkelijke materiaal.
Grafeen
Grafeen is een van de meest veelbelovende materialen voor de ontwikkeling van elektronica, omdat hiermee veel kleinere en snellere transistoren gemaakt kunnen worden. Grafeen bestaat uit een enkele tweedimensionale laag koolstofatomen, ontdekt in 2004 door de groep van Andre Geim aan de University of Manchester. Door het ontbreken van een bandgap kunnen transistoren die op grafeen gebaseerd zijn helaas niet goed werken. Dit vanwege het optreden van zogenaamde ‘Klein tunneling’, een proces dat in 2006 theoretisch voorspeld is door Mikhail Katsnelson en recent experimenteel is bevestigd door andere onderzoekers. Deze Klein tunneling maakt het onmogelijk om transistoren op basis van grafeen te gebruiken in dichtgepakte geïntegreerde circuits. De zoektocht naar nieuwe methoden om de bandgap in grafeen te openen is in volle gang in veel academische en industriële laboratoria over de hele wereld. Geen van de mogelijkheden die tot nu toe zijn gesuggereerd leken echter toepasbaar.
Opening
Het mechanisme dat de bandgap opent werkt op dezelfde manier als de invloed van een erg sterk magnetisch veld op grafeen. Het oprekken gaat daarom ook vergezeld van interessante en druk onderzochte fenomenen als het quantum Hall effect en topologische isolatoren, een ander interessant nieuw onderzoeksgebied. Het quantum hall effect is een van de weinige voorbeelden van macroscopische quantumfenomenen (samen met supergeleiding en superfluïditeit). Het wordt veroorzaakt door een dramatische verandering van het elektronische spectrum onder invloed van een extern magnetisch veld. In grafeen is nu voor het eerst aangetoond dat een vergelijkbare situatie gerealiseerd kan worden zonder magnetisch veld, maar door middel van oprekking.
Het werk van Mikhail Katsnelson is onderdeel van een FOM-programma voor de studie naar de eigenschappen van grafeen waar onderzoekers uit Nijmegen, Leiden, Delft en Groningen bij zijn betrokken.
Referentie
Guinea, F., Katsnelson, M.I., Geim, A.K., Energy gaps and a zero-field quantum Hall effect in graphene by strain engineering, Nat Phys – 2009/09/27/online,
http://dx.doi.org/10.1038/nphys1420
Anderen lazen ook
