Grafeen geeft vrijzwevend in magneetveld nieuwe geheimen prijs

Toen Andre Geim en Konstantin Novoselov in 2004 voor het eerst met een plakbandje grafeen hadden gemaakt – de enkellaagse variant van het koolstofmolecuul – haastten ze zich naar Nijmegen om het spul in het hoge magneetveld van het HFML te testen. Een hoog magneetveld werkt als een soort vergrootglas op elektronische eigenschappen, je kunt die dan veel beter waarnemen. Grafeen bleek uitzonderlijk geleidend en werd ongekend snel een belangrijk onderwerp in het natuurkundeonderzoek. In 2010 kregen Geim en Novoselov al de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun ontdekking.

Bevrijd van substraat

Erik van Elferen lukte het om grafeen te bevrijden van het substraat en op te hangen aan twee contactpunten.  Dat deed hij in samenwerking met de nanodevices groep van de universiteit van Groningen. Hij promoveert op 9 januari bij het Institute for Molecules and Materials (IMM) van de Radboud Universiteit Nijmegen.
"Je kunt zo in het hoge magneetveld  het gedrag van elektronen heel goed bekijken. In vrijhangend grafeen voelen ze alleen elkaars subtiele invloed en niet de veel sterkere invloed van het substraat. In bijna alle materialen heb je enorm veel interactie tussen de atomen en elektronen, in grafeen nauwelijks omdat dat zo dun is. Omdat wij de beste monsters én een hoog magneetveld combineerden konden we zien hoe de spins van de elektronen op elkaar reageren. In grafeen voelen ze elkaars aanwezigheid, dat lijkt in grafeen veel dominanter dan in andere materialen.
Alleen in Tallahassee, het grote magnetenlaboratorium in Amerika wordt op vergelijkbare manier met grafeen in hoge magneetvelden gewerkt. "

Meer lagen

Van Elferen keek niet alleen naar enkellaags grafeen. Hij herhaalde zijn experimenten ook met twee en meer lagen. "We konden de mathematische modellen netjes experimenteel bevestigen. Vanaf tien lagen verdwijnen de speciale eigenschappen van grafeen. Vanaf dan spreken we van grafiet."

Al snel nadat grafeen werd ontdekt, werd er gespeculeerd over nieuwe elektronica op basis van het materiaal. Wat draagt Van Elferens werk daar aan bij? "Mijn onderzoek is superfundamenteel. Toch moet je eerst begrijpen hoe de elektronen zich gedragen voordat je industriële toepassingen kunt maken. Inmiddels is er wel een drager voor grafeen gemaakt van boronnitride. Dit molecuul lijkt qua structuur zo sterk op grafeen dat de interactie verwaarloosbaar is en je effecten kunt verwachten zoals ik ze in vrijhangend grafeen heb gevonden. Boronnitride is echter lastig om industrieel te maken en vrij kostbaar."

Gematigd optimistisch

Van Elferen is gematigd optimistisch over de toepassing van grafeen. De bijzondere geleidingseigenschappen zijn erg afhankelijk van de kwaliteit van het materiaal. Industrieel bereid grafeen bevat vaak gaten of onregelmatigheden. Een transistor maken van grafeen stuit nog altijd op problemen.  "Het is een subtiel materiaal en erg gevoelig voor verstoring. Dat geldt vooral voor het vrijhangende grafeen. Zelfs de statische elektriciteit die jij en ik afgeven kan het materiaal verstoren. Dan vliegt het sample in de fik en moet je opnieuw beginnen. Ik heb er meer kapot gemaakt dan er heel bleven, negen van de tien gingen stuk. En dat ene device dat nog werkt, in sommige gevallen is dat zelfs kwalitatief niet goed genoeg…"

Erik van Elferen (Nijmegen, 1985) studeerde natuurkunde aan de Radboud Universiteit Nijmegen en deed in zijn masterfase al een studie bij het HFML. In dienst van FOM, de stichting voor fundamenteel onderzoek der materie, deed hij daar ook zijn promotieonderzoek.

Datum: woensdag 9 januari 2013

Tijd: 15:30

Locatie: Academiezaal Aula, Comeniuslaan 2

Faculteit: Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica

Promovendus: drs. H.J. van Elferen

Promotors: prof. dr. ir. J.C. Maan

Copromotors: dr. U. Zeitler

Titel promotie: Magneto-transport properties of (multilayer) graphene. The lowest Landau Level in high magnetic fields