Graphen als Supraleiter

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unter­schiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoff­atome ein zwei­dimensionales Netz mit sechseckigen Maschen. Graphen leitet den Strom zwar sehr gut, ist aber kein Supra­leiter. Nun lässt sich dies vielleicht ändern. Im April 2018 zeigte eine Gruppe am Massa­chusetts Institute of Tech­nology MIT, dass sich in einer doppelten Lage aus Graphen eine Form der Supra­leitung erzeugen lassen könnte.

Dafür müssen die beiden aufeinander­gelegten Honigwaben um einen magischen Winkel von 1,1° gegen­einander verdreht werden. Dies verändert die Band­struktur der Elektronen, die beschreibt, wie sich die Ladungs­träger auf quanten­mechanisch zulässige Energie­zustände verteilen und welche Ladungs­träger überhaupt für den Transport zur Verfügung stehen. Durch den magischen Winkel entstehen flache Bereiche in dieser Band­struktur, so dass sich ein Teil der Ladungs­träger frei bewegen kann. Allerdings ist die Herstellung solcher exakt verdrehten Doppellagen viel zu aufwändig für die Massen­produktion. Dennoch hat der Befund bei Experten viel Aufmerk­samkeit erregt.

Nun zeigt eine Gruppe am Helmholtz Zentrum Berlin HZB um Oliver Rader und Andrei Vary­khalov an BESSY II, dass es eine deutlich einfachere Möglich­keit gibt, um flache Bereiche in der Band­struktur von Graphen zu erzeugen. Die Proben hatte Thomas Seyller von der TU Chemnitz, mit einem Verfahren hergestellt, das auch für die Produktion größerer Flächen geeignet ist: Ein Silizium­karbidkristall wird erhitzt, bis Silizium­atome von der Oberfläche verdunsten. Die verbliebenen Kohlenstoff­atome bilden zunächst eine Lage Graphen auf der Oberfläche und dann eine zweite Lage Graphen. Die beiden Graphen-Schichten sind dabei nicht gegeneinander verdreht, sondern liegen genau über­einander.

Mit Hilfe von winkel­aufgelöster Photo­emissions­spektro­skopie (ARPES) lässt sich an BESSY II nun die Band­struktur in Materialien mit extrem hoher Präzision ausmessen. Dabei fand das Team in den Graphen-Proben einen flachen Bereich in der Band­struktur an einer über­raschenden Stelle. „Bisher wurde die Graphen-Doppel­lage vor allem untersucht, weil sie eine Bandlücke aufweist, die sie zu einem Halbleiter­material macht“, erklärt Varykhalov. „Erst mit der hohen Auflösung, die das ARPES-Instrument liefert, können wir diese Bandlücke genauer vermessen.“ „Diesen Bereich hatte bislang niemand so genau untersucht", erklärt Dmitry Marchenko: „Daher wurde bisher übersehen, dass es an dieser Stelle der Band­struktur von Graphen einen flachen Bereich gibt.“

Dieser flache Bereich der Band­struktur ermöglicht eine bestimmte Form der Supra­leitung: Denn damit können sich Elektronen in diesem Bereich völlig frei bewegen. Allerdings nur, wenn sich der flache Bereich genau in Höhe der Fermi-Energie befindet. Beim zwei­schichtigen Graphen liegt das Energie­niveau des flachen Bereichs nur 200 Milli-Elektronen­volt unter der Fermi-Energie. Es ist jedoch möglich, dieses Energie­niveau auf die Fermi-Energie zu erhöhen, entweder durch Dotierung mit Fremd­atomen oder durch Anlegen einer externen Gate-Spannung.

Die Physiker haben fest­gestellt, dass Wechsel­wirkungen zwischen den Graphen-Schichten sowie zwischen Graphen und Silizium­karbid-Gitter für die Ausbildung des Flachband­bereichs verant­wortlich sind. „Wir können dieses Verhalten mit sehr wenigen Parametern vorher­sagen und diesen Mecha­nismus nutzen, um die Bandstruktur gezielt zu beein­flussen“, sagt Rader.

HZB / JOL