Selektiv geschältes Graphen

Mit Zink und Salzsäure lassen sich einzelne Kohlenstoffschichten gezielt entfernen.

Extrem dünn, stabil, flexibel und elektrisch leitend: Wegen dieser Eigenschaften gilt Graphen als viel versprechender Kandidat für zahlreiche Anwendungen vom Flachbildschirm bis zum Komposit-Werktstoff. Doch um eine neue Klasse von Transistoren aus purem Kohlenstoff zu entwickeln, müssen Graphenlagen strukturiert werden. Denn erst schmale Graphenbänder oder mehrschichtige Lagen zeigen halbleitende Eigenschaften. Für diesen Zweck entwickelten amerikanische Forscher an der Rice University in Houston ein neues, selektives Schälverfahren.

„Unsere Arbeit demonstriert ein Lithografie-Verfahren, um einatomige Graphenlagen aus vielschichtigen Strukturen zu erzeugen“, berichten Ayrat Dimiev und seine Kollegen vom Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. Dazu deponierten sie eine zweilagige Graphenschicht aus einem Träger aus Siliziumdioxid. Mit einem Sputterverfahren deponierten sie auf die oberste Schicht einen schmalen Streifen aus Zink. Diese Beschichtung lösten sie daraufhin mit Salzsäure wieder ab. Sie erkannten, dass bei diesem Prozess nur exakt eine Graphenlage unter der Zinkschicht entfernt werden konnte. Die zweite Graphenlage darunter wiederum blieb völlig unversehrt. Mehrmals wiederholt erhielten sie diesen chemischen Schälprozess und erhielten so ein symmetrisch strukturiertes Raster aus ein- und zweilagigen Graphenschichten, die jeweils verschiedene elektronische Eigenschaften aufwiesen.

Mit dieser Methode lassen sich folglich halbleitende und leitende Graphenabschnitte genau nebeneinander anordnen. Dies bildet eine wesentliche Grundlage für den Aufbau komplexer Schaltkreise. Mit einem Rasterelektronenmikroskop überprüften Dimiev und Kollegen die Qualität ihres Graphenrasters, dass Strukturen von wenigen hundert Nanometer Breite zeigte. Doch prinzipiell lassen sich die Zinkschichten auch auf deutlich kleinere Bereiche deponieren.

„Lokales Graphen-Schälen könnte ein Standardwerkzeug für Forscher zur Entwicklung neuer Module werden“, schreiben Daniel Gunlycke und Paul E. Sheehan vom US-Naval Research Laboratory in einem begleitenden Kommentar. Besonders von der schlichten Eleganz und der Robustheit dieser chemischen Schälmethode zeigten sie sich begeistert. Es sei deutlich weniger aufwendig, als einzelne, halbleitende Graphenbänder aus Graphenschichten herauszuschneiden.

Jan Oliver Löfken

KK