Unieke eigenschappen drielaags grafeen onderzocht

Een internationaal team, met onderzoekers van de Stichting FOM, het Delftse Kavli Institute of Nanoscience, de Universiteit van Genève en de Universiteit van Tokyo, heeft ontdekt dat drielaags grafeen unieke elektronische eigenschappen heeft, die verrassend afwijken van de eigenschappen van al eerder bestudeerde dunnere grafeenlagen. Het onderzoek laat zien dat dunnere grafeenlagen niet zonder meer gezien kunnen worden als de bouwstenen van dikkere lagen. De onderzoekers publiceren deze maand hierover in het prestigieuze Nature Nanotechnology.

Sinds de ontdekking van grafeen – een laag koolstof van één atoom dik – in 2004, is er veel wetenschappelijke aandacht geweest voor de exotische elektronische eigenschappen van het materiaal. Zo is er bijvoorbeeld het effect dat geladen deeltjes in grafeen hun massa ‘verliezen’. Dit heeft een wereld van nieuwe fysische verschijnselen geopend, die nog niet eerder waargenomen waren in andere materialen. Terwijl velen zich bezighouden met de schijnbaar massaloze ladingsdragers in enkellaags grafeen, is er nog maar weinig bekend over hoe de elektronmassa overgaat van nul in een enkele laag grafeen, naar een eindige waarde in grafiet.

Ook is er nog weinig duidelijkheid over het optimale aantal grafeenlagen voor een gegeven toepassing, omdat de geleidingseigenschappen van materiaal bestaande uit meer dan drie grafeenlagen op elkaar nog niet volledig bekend zijn.

Dunste grafietfolie
Onlangs hebben dr. Monica F. Craciun (Universiteit van Tokyo) en dr. Saverio Russo (FOM-onderzoeker bij het Kavli Institute of Nanoscience in Delft) onderzoek gedaan naar ladingstransport in drielaags grafeen. Drie is het minimum aantal lagen om alle fundamentele ingrediënten die de elektronische eigenschappen van grafiet in de bulk bepalen te kunnen onderzoeken. Drielaags grafeen zou je daarom ook ‘het dunste grafietfolie’ kunnen noemen.

Het pionerende onderzoek bracht aan het licht dat drielaags grafeen een materiaal is met unieke elektronische eigenschappen, die volstrekt anders zijn dan de eigenschappen van enkel- of dubbellaags grafeen.

Met geavanceerde nanofabricatietechnieken maakten de onderzoekers een gelaagde structuur, waarbij het drielaagse grafeen tussen de parallelle platen van een condensator ligt. Er zijn twee elektrische contacten aan de structuur verbonden, de ‘gates’ (zie figuur). Met dit slim ontworpen systeem kunnen de onderzoekers het transport van ladingsdragers in het drielaagse grafeen meten als een functie van het externe elektrische veld. Dit veld wordt aangelegd tussen de platen van de condensator, loodrecht op de lagen.

Instelbare weerstand
Met metingen aan ladingstransport bij lage temperaturen werd gevonden dat de elektrische weerstand van het drielaagse grafeen sterk afneemt, wanneer de sterkte van het elektrisch veld vergroot wordt. Dit is heel anders dan het gedrag dat één- en tweelaags grafeen laat zien. Voor een enkele laag hangt de weerstand niet af van het elektrisch veld, terwijl voor een dubbele laag de weerstand juist ordes van grote stijgt als er een elektrisch veld wordt aangebracht.

De weerstand van drielaags grafeen kan dus ingesteld worden door een bepaalde sterkte van het elektrisch veld te kiezen. De achtergrond hiervan is dat grafeen het enige semi-metaal is waarbij de overlap in de valentie- en conductieband in te stellen is door een extern elektrisch veld.

Dit onderzoek laat zien dat enkel- en dubbellaags grafeen niet zonder meer gezien kan worden als de bouwstenen van de dikkere lagen. Elke grafeenlaag op zich is een uniek materiaalsysteem met grotendeels onverkende elektronische eigenschappen. Deze resultaten kunnen van groot belang zijn voor het sneller maken van elektronica en voor toepassing in moleculaire sensoren.

Het werk is het resultaat van een vruchtbare internationale samenwerking tussen het Kavli Institute in Delft (Nederland), prof.dr. Alberto Morpurgo van de Universiteit van Genève (Zwitserland) en prof.dr. Seigo Tarucha van de Universiteit van Tokyo (Japan). Deze samenwerking is in november 2008 gestart door Saverio Russo and Monica Craciun.