De Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) heeft grafeen op galliumarseen zichtbaar gemaakt. Door de eenvoudige identificatie met een normale lichtmicroscoop zijn verdere stappen voor de productie van elektronische elementen uit grafeen-vlakken mogelijk.
Grafeen is extreem dun en erg jong in jaren. Pas in 2004 lukte het om één enkele laag koolstofatomen gericht te produceren en te onderzoeken. De elektronische eigenschappen zijn opmerkelijk, onder andere omdat zijn elektronen zo ongelofelijk snel kunnen bewegen.
Dat maakt het een perfecte partner voor galliumarseen (GaAs). Van deze halfgeleider kunnen de elektrische eigenschappen op maat worden gesneden. Het is het basismateriaal voor de snelste elektrische en opto-elektronische elementen. Bovendien is galliumarseen te produceren met gladde atoomlagen aan de oppervlakte; een goede onderlaag voor grafiet.
Reflectie
Het is wetenschappers van de PTB gelukt met behulp van een speciaal ontwerp om grafeen op galliumarseen zichtbaar te maken. Dat ging tot nog toe op siliciumoxide. Omdat ze de grafeenlaag, die dunner is dan 1/1000 lichtgolflengte, nu kunnen bekijken met een lichtmicroscoop, willen de wetenschappers de elektrische eigenschappen van de nieuwe materiaalcombinatie meten.
De onderzoekers gebruiken het principe van de antireflectielaag: als men op een materiaal een zeer dunne, bijna transparante laag van ander materiaal aanbrengt, verandert de reflectie van de onderste laag duidelijk. Om de onderste laag van galliumarseen (plus de atoomlaag grafiet) zichtbaar te maken, kozen de fysici aluminiumarseen (AlAs).
De optische eigenschappen van galliumarseen (GaAs) lijken hier zo sterk op, dat men een trucje moest uithalen: men dampte niet een maar meerdere zeer dunne laagjes op. Op deze manier kan men zelfs bij optisch gelijkende materialen tot op zekere hoogte interferentie-effecten kweken. Dit principe is bekend van optische interferentiefilters en de onderzoekers hebben deze voor hun doel aangepast.
Zichtbaar
Eerst hebben de onderzoekers de optische eigenschappen van de verschillende GaAs- en AlAs-lagen berekend en de lagenvolgorde zo geoptimaliseerd, dat er voldoende duidelijk herkenbaar grafeen te verwachten was. Conform dit recept maakten ze vervolgens even nauwkeurig GaAs/AlAs-kristal atoomlagen aan met de moleculairstraal-epitaxie installatie van het PTB. Daarna werd deze volgens dezelfde procedure als bij siliciumoxide met de grafietfragmenten bedekt.
Anders dan bij silicium maar zoals door de berekening werd voorspeld, zijn aparte koolstoflagen niet meer zichtbaar met alle golflengtes van het zichtbare licht. Met een simpel groen filter bijvoorbeeld kan het golflengtebereik echter zodanig worden beperkt, dat het grafiet probleemloos is te herkennen.
Bij de foto
Op de foto zijn op het donkere GaAs alle lichtere plekken door grafeen bedekt. Aan de helderheid kan men zelfs het aantal aparte atoomlagen bepalen. De gemarkeerde gebieden zijn ‘echt’, dus één laag grafeen. Daarnaast bestaan er ook twee, drie en meervoudige lagen koolstofatomen, die eveneens interessante eigenschappen hebben. Dit werd bevestigd met behulp van een ander proces, de Raman-spectroscopie.
Door de eenvoudige identificatie met een normale lichtmicroscoop zijn verdere stappen voor de productie van elektrische elementen uit grafeenvlakken mogelijk. De wetenschappers kunnen nu beginnen om de elektrische eigenschappen van nieuwe materiaalcombinaties exact te meten.
