Schmale Nanobänder für Graphen-Transistoren

Mit einer einfachen chemischen Methode ist es erstmals gelungen, wenige Nanometer breite Bänder aus Graphen auf Oberflächen wachsen zu lassen.

Transistoren auf Graphenbasis gelten als mögliche Nachfolger für die heute gebräuchlichen Bauteile aus Silizium. Bestehend aus zweidimensionalen Kohlenstoffschichten besitzt Graphen etliche herausragende Eigenschaften: Es ist nicht nur härter als Diamant, extrem reissfest und undurchlässig für Gase, sondern auch ein ausgezeichneter elektrischer und thermischer Leiter. Weil Graphen allerdings ein Halbmetall ist, besitzt es – im Gegensatz zu Silizium – keine elektronische Bandlücke und somit keine Schalteigenschaften – DIE Hauptvoraussetzung für Elektronik-Anwendungen. Forscher der Empa und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz sowie der ETH Zürich und der Universitäten Zürich und Bern entwickelten deshalb ein neues Verfahren, um Graphenbänder mit Bandlücken herzuzustellen.

Bisher wurden Bänder aus grösseren Graphenschichten «geschnitten», etwa so wie Tagliatelle aus einem Pastateig. Oder Kohlenstoffnanoröhrchen wurden der Länge nach aufgetrennt. In den Bändern entsteht dadurch über einen quantenmechanischen Effekt eine Bandlücke – ein Energiebereich, in dem sich keine Elektronen befinden können und der die physikalischen Eigenschaften wie etwa die Schaltfähigkeit bestimmt. Breite (und Randform) des Graphenbandes bestimmen die Grösse der Bandlücke und beeinflussen dadurch die Eigenschaften eines daraus konstruierten Bauteils.

Falls sich Graphenbänder nun extrem schmal – deutlich unter zehn Nanometer – und noch dazu mit wohl definierten Rändern herstellen liessen, so die Idee, dann könnten daraus Bauteile mit massgeschneiderten optischen und elektronischen Eigenschaften resultieren: Je nach Bedarf kann über die Manipulation der Bandlücke die Schalteigenschaft eines Transistors eingestellt werden. Alles andere als trivial, denn die bis jetzt dafür verwendeten lithografische Methoden, etwa zum Schneiden, stossen hier an fundamentale Grenzen; sie liefern zu breite Bänder mit diffusen Rändern.

Die Forscher um Roman Fasel, Senior Scientist an der Empa und Professor für Chemie und Biochemie an der Universität Bern (Schweiz), und Klaus Müllen, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, beschreiben eine einfache oberflächenchemische Methode, mit der sich derart schmale Bänder ganz ohne zu schneiden herstellen lassen – also «bottom-up», aus den Grundbausteinen. Dazu brachten sie unter Ultrahochvakuumbedingungen auf Gold- oder Silberoberflächen spezielle, an «strategisch» wichtigen Positionen halogensubstituierte Monomere auf, die sich in einem ersten Reaktionsschritt zu Polyphenylenketten verbanden.

In einem zweiten, durch stärkeres Erhitzen eingeleiteten Reaktionsschritt, in dem Wasserstoffatome entzogen wurden, koppelten die Ketten zu einem planaren, aromatischen Graphensystem. So entstanden atomar dünne Graphenbänder von einem Nanometer Breite und einer Länge bis zu 50 Nanometer. Damit sind die Graphenbänder so schmal, dass sie eine elektronische Bandlücke aufweisen und nun wie Silizium Schalteigenschaften besitzen – ein erster, wichtiger Schritt für den Wechsel von der Silizium-Mikro- zur Graphen-Nano-Elektronik. Doch damit nicht genug: Je nachdem, welche Monomere die Forscher verwendeten, bildeten sich Graphenbänder mit unterschiedlicher räumlicher Struktur – entweder gradlinige oder zickzackförmige.

Empa/AL

Weitere Infos:

• Orignalveröffentlichung:
  J. Cai, P. Ruffieux, R. Jaafar, M. Bieri, T. Braun, S. Blankenburg, M. Muoth, A.P. Seitsonen, M. Saleh, X. Feng, K. Müllen, R. Fasel: Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons.  Nature 466, 7305, 470-473 (2010)
  dx.doi.org/10.1038/nature09211
• Empa, Schweiz:
  www.empa.ch
• Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz:
  www.mpip-mainz.mpg.de