Experimentele natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben het golfkarakter van elektronen voor het eerst waargenomen op het moment dat deze door een smalle strook van grafeen bewegen. Zij veranderden in een grafeentransistor de golflengte van de elektronen. De elektrische geleiding blijkt stapsgewijs te veranderen als functie van de golflengte. Met dit werk zetten de onderzoekers een belangrijk stap naar de ontdekking van nieuwe quantummechanische effecten in grafeentransistoren. De resultaten werden begin juni online gepubliceerd in het toonaangevende tijdschrift Nature Physics.
Grafeen, een één atoom dikke laag van koolstofatomen, is een veelbelovend materiaal in de nanotechnologie. Het werd in 2004 voor het eerst geïsoleerd uit bulk grafiet door Andre Geim en Konstantin Novoselov die hiervoor in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde kregen.
Grafeen is een uitstekende thermische en elektrische geleider met bijzondere elektronische eigenschappen. Een elektron kan zich klassiek gedragen als een soort biljartbal die vrij kan bewegen in een grafeenstrook en terugkaatst bij de randen. Een elektron kan ook quantummechanisch beschreven worden als een golf met een specifiek golflengte.
De theorie voorspelt dat het verkleinen van de breedte van een grafeenstructuur tot een paar nanometers kan leiden tot nieuwe quantummechanische effecten, zoals het veranderen van metallisch grafeen in een halfgeleidend materiaal.
Rafelrand
Tot nu toe was de verwachting dat deze effecten alleen zouden optreden in grafeenstructuren met randen die op atomaire schaal perfect zijn. Technisch gezien is het op dit moment nog niet mogelijk om perfecte randen te fabriceren.
Wetenschappers van het Zernike Institute for Advanced Materials te Groningen laten nu in een experiment zien dat zelfs voor een ruwe rand dit soort quantummechanische effecten mogelijk zijn. Zij laten zien dat het aantal elektronengolven dat past in de grafeenstrook bepalend is voor de elektrische geleiding.
Een elektronenmicroscoopopname van een vrij hangende grafeentransistor. Een grafeenstrook van één µm breed is gecontacteerd door vier metalen elektrodes. Als de breedte van de grafeentransistor maar een paar honderd nanometer klein is (zoals te zien is in het midden van deze foto), dan spelen de randen van de transistor een cruciale rol in het ontwikkelen van quantummechanische effecten
Experimenteel hoogstandje
Om deze effecten te kunnen zien is het cruciaal dat de grafeentransistor zo vrij mogelijk is van onzuiverheden. Omdat de meeste onzuiverheiden in het substraat zelf te vinden zijn, is in dit experiment gekozen om de grafeen laag te ontkoppelen van het substraat door het polymeersubstraat onder de grafeentransistor selectief te verwijderen.
Dit leidt tot een vrij hangende grafeentransistor van de hoogst mogelijke elektronische kwaliteit. Een volgende stap is om te onderzoeken of deze effecten ook te zien zijn in een grafeentransistor gefabriceerd op een substraat met een zo klein mogelijk aantal onzuiverheden, zoals op een boron nitride kristal.
Het onderzoek aan de Rijksuniversiteit Groningen is mede gefinancierd door de Stichting FOM in het programma ‘Graphene-based electronics’ en het FOM-programma ‘Quantum information processing’, door NWO met een Toptalent en Veni-subsidie en door NanoNed.
