Toepassing grafeen in weerstandsmeter mogelijk

De prestaties van een modern elektrisch apparaat hangen onder meer af van een precieze definitie van de elektrische weerstanden van zijn onderdelen. Maar elektrische weerstanden nauwkeurig meten is een omslachtige klus. Tot nu toe kunnen de daarvoor benodigde metingen alleen worden uitgevoerd bij een handvol nationale meetinstituten waar met ingewikkelde apparatuur en bij zeer lage temperaturen het zogeheten kwantum-Halleffect wordt opgewekt en gemeten. Op basis van deze gegevens kan dan een willekeurige weerstand zeer precies worden bepaald.

Race gewonnen
Een groep wetenschappers van het laboratorium voor hoge magneetvelden (High Field Magnet Laboratory, HFML) van de Radboud Universiteit Nijmegen, het NMi – Van Swinden Laboratorium in Delft en de Universiteit van Manchester heeft laten zien dat een dergelijke meting ook mogelijk is met behulp van grafeen. Grafeen is een recent ontdekte vorm van koolstof – een groot tweedimensionaal molecuul van maar één atoom dik – waarin tot verbazing van de onderzoekers in 2007, in het Nijmeegse HFML, het kwantum-Halleffect bij kamertemperatuur werd gevonden.

Kwantum-Halleffect
Het kwantum-Halleffect is de kwantummechanische versie van een effect dat in 1879 door Edwin Hall werd ontdekt. Hij constateerde dat over een dun plaatje geleider- of halfgeleidermateriaal dat zich in een magneetveld bevindt, een potentiaalverschil ontstaat tussen de beide uiteinden van het plaatje: de zogenaamde Hall-spanning. De grootte hiervan is karakteristiek voor de samenstelling van een materiaal.
Wordt het plaatje superdun gemaakt (natuurkundigen spreken dan van een tweedimensionaal elektronengas), dan vertoont de Hall-spanning plateaus. De Hall-weerstand is dan precies 25.812,807 Ohm, de zogeheten constante van Planck, gedeeld door de waarde van de lading van het elektron in het kwadraat. Deze waarde kan met een precisie van één op de biljoen gemeten worden. Het kwantum-Halleffect leverde zo een nieuwe standaard voor de elektrische weerstand op, die sinds 1990 de Von Klitzing-constante wordt genoemd. Het kwantum-Halleffect werd in 1980 ontdekt door de Duitse fysicus Klaus von Klitzing; hij kreeg er in 1985 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor.

Vanaf dat moment is wereldwijd gezocht naar een manier op grafeen in te zetten voor weerstandmeting. En dat is nu de Nijmeegse junioronderzoeker Jos Giesbers voor het eerst gelukt. De onderzoekers denken nu dat het op termijn mogelijk zal zijn een weerstandsmeter op basis van grafeen te integreren in commercieel verkrijgbare precisie ohmmeters. Er blijft natuurlijk wel een magneetveld nodig om het kwantum-Halleffect te bereiken. Maar daarvoor zou 2 tesla ook voldoende kunnen zijn, en dat is ook bereikbaar met een gewone, permanente magneet.

De uitdaging
Grafeen is extreem kwetsbaar: het zijn in feite de dunst mogelijke vlokken potlood: één atoom dik. Daar moet je een contact aan maken, in dit geval van goud. Als dat lukt moet het dunne plaatje ook nog de metingen overleven. Eigenlijk is het een wonder dat het in Nijmegen is gelukt. Onderzoeksleider Uli Zeitler schrijft het onder andere toe aan de ‘Brabantse boerenzoon-mentaliteit’ van zijn promovendus Jos Giesbers. ‘Drie keer stond hij bij het meetinstituut in Delft en drie keer gingen de experimenten mis. De meeste mensen zouden dan ophouden, afhaken, het idee laten vallen. Niet Jos. Die heeft hard werken en vroeg opstaan van huis uit meegekregen!’

Jos Giesbers aan het werk in het HFML

Grafeen
Grafeen is een bijzondere, tweedimensionale vorm van koolstof. Sinds het grote molecuul van slechts één atoom dik voor het eerst gemaakt is, wordt er druk met het materiaal geëxperimenteerd. Grafeen wordt pas kort geleden ontdekt aan de Universiteit van Manchester door Kostya Novoselov en Andre Geim (allebei voormalige medewerkers van het HFML). Grafeen blijkt allerlei bijzondere eigenschappen te hebben: elektronen gedragen zich in grafeen als een elementair deeltje zonder gewicht in plaats van massief en langzaam zoals ‘hoort’ in een vaste stof. Ze bewegen eerder zoals in deeltjesversnellers en het vroege heelal: massaloos en zeer snel, met een soort effectieve lichtsnelheid van 1000 kilometer per seconde.

Kwetsbaar materiaal
Maar staat de kwetsbaarheid van grafeen dan niet überhaupt een grootschaliger toepassing in de weg? Zeitler denkt van niet. Er wordt hard gewerkt aan betere productiemethoden voor grafeen. Niet alleen om er grotere vlokken van te maken, maar ook om ze vervolgens héél precies uit te snijden. Jos Giesbers wist ook daarin een doorbraak te forceren – het lukte hem als eerste om grafeen te snijden met een Atomic Force Microscoop – een techniek die overigens niet ongebruikelijk is bij andere halfgeleiders zoals galiumarsenide.

HFML trekt nieuw onderzoek aan
Het laboratorium voor hoge magneetvelden (HFML) van het Institute for Molecules and Materials aan de Radboud Universiteit Nijmegen is vijf jaar geleden geopend. Er is een continue veldsterkte mogelijk van 34 tesla en een gepulst veld met een piek van 60 tesla. Binnenkort realiseert het lab een upgrade naar 45 tesla – de huidige technische grens voor een continu veld. Alleen in het veel grotere magnetenlab in Tallahassee zijn vergelijkbare omstandigheden te vinden.

Binnenkort zal de Europese Unie in Versailles een lijst met grootschalige onderzoeksfaciliteiten bekend maken. In dit kader zal prof. Jan Kees Maan, directeur van het HFML, een samenwerkingsovereenkomst met magnetenlaboratoria in Grenoble, Toulouse, en Dresden aangaan, om een Europese instelling neer te zetten die tot de wereldtop behoort. Momenteel ontvangt het Nijmeegse lab ruim tachtig gasten per jaar en worden er elk jaar 1000 uur magneetexperimenten gedraaid. Hoewel de capaciteit van het lab ruim het dubbele is, en er voldoende aanvragen voor meettijd zijn, kan het HFML op dit moment niet meer experimenten doen. Daarvoor ontbreekt het budget en de mankracht. Vandaar dat op het moment een aanvraag loopt voor een extra exploitatiesubsidie.

‘Hoge magneetvelden zijn essentieel om snel de eigenschappen van nieuwe materialen te onderzoeken en daardoor zijn magneetveldlaboratoria uiterst gevoelige antennes voor de nieuwste ontwikkelingen in het materiaalonderzoek. Nieuwe materialen zijn vaak motor van innovatie,’ zegt Maan. ‘Dankzij het HFML komt deze vernieuwing vanuit de hele wereld in een vroeg stadium naar Nederland en daar doet het Nederlandse onderzoek zijn voordeel mee. Wij hebben dan ook als eerste het grafeenonderzoek naar Nederland gehaald!’

A. J. M. Giesbers, G. Rietveld, E. Houtzager, U. Zeitler, R. Yang, K. S. Novoselov, A. K. Geim, J. C. Maan; Quantum resistance metrology in graphene,Applied Physics Letters 93, in druk. Preprint op: http://arxiv.org/abs/0810.4064

bron:  Wetenschapagenda Radboud Universiteit Nijmegen