Grafeen wordt vanwege zijn fysische en chemische eigenschappen gezien als een van de meest veelbelovende nieuwe materialen. Wetenschappers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hebben nu een methode ontwikkeld, die het mogelijk maakt om componenten van grafeen door middel van een geïntegreerde elektrode gericht aan te sturen, een belangrijke voorwaarde voor industriële toepassingen. Prof. Dr. Heiko Weber, Daniel Waldmann, Johannes Jobst, Dr. Michael Krieger van de afdeling toegepaste fysica en prof. Dr. Thomas Seyller en Florian Speck van de afdeling technische fysica hebben hun onderzoeksresultaten gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift „nature materials“.
Grafeen (met de nadruk op de tweede lettergreep) is een enkele laag koolstofatomen, die zodanig in een verband van een zeshoekig netwerk liggen, dat ze de eerste echte tweedimensionale vaste stof vormen. Grafeen wordt daarmee een nieuwe klasse van materialen. De ontdekking in 2004 leidde tot wereldwijde onderzoeksactiviteiten, vergelijkbaar met de ontdekking van de hoge-temperatuur supergeleider. In 2010 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend aan de ontdekking van grafeen.
Het enthousiasme van de wetenschappers voor dit nieuwe materiaal komt voort uit de voor vaste stof volledig nieuwe elektronische, optische en magnetische eigenschappen van grafeen. Voor de onderzoekers vormen deze revolutionaire eigenschappen een fascinerend laboratorium van nieuwe fysica dat moet worden doorgrond. Ook creëren zij een ongekend potentieel aan toepassingen, van nieuwe halfgeleider componenten tot chemische en biologische sensoren of kwantum computers.
Elektronische toepassingen
Voor het gebruik van het grote potentieel voor elektronische toepassingen is het proces voor de coating van zeer hoge kwaliteit op de kristallijne halfgeleider schijfjes, de zogenaamde wafers, zeer belangrijk. De onderzoekers van de FAU konden hier een belangrijke bijdrage aan leveren: prof. Dr. Thomas Seyller heeft in 2009 een proces ontwikkeld, waarmee grafeen in de hoogste kwaliteit gesynthetiseerd kan worden op silicium carbide kristallen. In de vakwereld geldt dit proces als een belangrijke stap op de weg naar op grafeen gebaseerde elektronica. Seyller kreeg hiervoor in 2010 de Walter-Schottky-Prijs van de Duitse natuurkundigen vereniging, de hoogste nationale prijs voor excellent onderzoekswerk op vaste stof fysica.
Grafeen, een tweedimensionaal honingraatrooster van koolstofatomen, is gesynthetiseerd op een siliciumcarbidekristal (grijs). Door gerichte manipulatie van de kristaleigenschappen, wordt een stuur-elektrode (blauw) gegenereerd in het siliciumcarbide, waarmee via gouden contacten de gecontroleerde elektrische stroom door de grafeenlaag kan worden geleid. (afbeelding: J. Jobst, J. Lottes, M. Krieger)
Meerdere toepassingen
De volgende belangrijke stap is om op basis van de grafeenwafers componenten te produceren. Hierbij gaat het vooral om het creëren van de mogelijkheid voor het aansturen van de grafeenlagen voor elektronische toepassingen. En hierbij komt het dragermateriaal in beeld: de silicium carbide is een halfgeleider, die door een slimme manipulatie kan worden gebruikt als geïntegreerde stuurelektrode. Professor Dr. Heiko Weber en zijn team zijn hier nu in geslaagd. Di FAU-onderzoekers hebben niet alleen voorbeelden van componenten vervaardigd, maar konden ook de fysische effecten, die bij het gebruik van een dergelijke elektrode zouden kunnen optreden, tot in het detail verklaren.
Met deze kennis is het nu mogelijk, om optimaal geïntegreerde elektroden voor grafeen, met de meest uiteenlopende toepassingsgebieden, op maat te maken. Het grote voordeel van een dergelijke elektrode ligt voor de hand: de grafeenlaag aan de oppervlakte blijft vrij toegankelijk. Dit opent volledig nieuwe mogelijkheden zowel bij het onderzoek als voor de toepassing: Supergevoelige sensoren zouden zelfs aparte atomen kunnen detecteren.
