Bandkloof grafeen groter onder druk

"Grafeen is de beste elektrische geleider die we op aarde kennen", zegt Matthew Yankowitz van de faculteit Natuurkunde van de Amerikaanse Columbia University. "Het probleem is echter dat het elektriciteit té goed geleidt en we niet weten hoe we dit efficiënt moeten stoppen. Ons werk maakt de weg vrij voor het realiseren van een technologisch relevante bandkloof in grafeen, zonder hierbij in te leveren op kwaliteit. Indien toegepast op andere interessante combinaties van 2D-materialen kan de techniek die wij hebben gebruikt leiden tot nieuwe fenomenen, zoals magnetisme, supergeleiding en meer."

De rangschikking van de koolstofatomen in grafeen maakt dat elektronen er met extreem hoge snelheden doorheen kunnen, zonder verstrooiing. Daardoor wordt energie bespaard die bij veel andere geleiders verloren gaat.

Tot nu toe was het echter niet mogelijk om dit proces te stoppen zonder de eigenschappen van grafeen aan te tasten. "Een van de grootste doelen van grafeen-onderzoek is het vinden van een wijze om alle goede eigenschappen van grafeen te behouden en tegelijkertijd een bandkloof te creëren – een elektrische aan-uit schakelaar", aldus Cory Dean, assistent-hoogleraar Natuurkunde bij de Columbia University en betrokken bij het onderzoek.

Kamertemperatuur

Nu zijn de onderzoekers hier dus in geslaagd. Zij hebben een laag grafeen tussen twee lagen boornitride geplaatst, wat een atoom-dunne elektrische isolator is. De elektronische structuur van grafeen blijkt hierdoor te worden aangepast, waardoor een bandkloof ontstaat waarmee het materiaal zich gedraagt als een halfgeleider. Dit betekent in de praktijk dat grafeen zowel als elektrische geleider als als isolator kan dienen.

De bandkloof is echter niet groot genoeg om bruikbaar te zijn in apparaten die opereren op kamertemperatuur. Om hem te vergroten, hebben de onderzoekers de lagen boornitride en grafeen samengeperst. "Naarmate we meer druk uitoefenen, neemt de band gap toe", aldus Yankowitz. "Het gat is nog steeds onvoldoende voor gebruik op kamertemperatuur, maar we hebben een fundamenteel beter begrip waarom deze bandkloof überhaupt bestaat, hoe deze kan worden aangepast en wat we hiermee in de toekomst wellicht kunnen."