28.04.2011

Zweilagiges Graphen mit Zufallsmuster

Die elektrischen Eigenschaften von zwei übereinander liegenden Graphen-Schichten variieren zwischen Bereichen von wenigen Nanometern Größe.

Die elektrischen Eigenschaften von zwei übereinander liegenden Graphen-Schichten variieren zwischen Bereichen von wenigen Nanometern Größe.

Trotz seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und anderen einzigartigen Eigenschaften entzieht sich Graphen bisher der Nutzbarkeit in elektronischen Bauteilen. Der Grund dafür ist vor allem das Fehlen einer Bandlücke, die zum Herstellen von Transistoren erforderlich wäre. Bringt man Graphen dagegen in zwei übereinander liegenden Schichten auf ein Isolatormaterial auf und setzt es einem elektrischen Feld aus, so erhält man ein Material mit Halbleitereigenschaften. Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) konnten nun nachweisen, dass die elektrischen Eigenschaften dieses zweilagigen Graphens zwischen Bereichen von wenigen Nanometer Größe variieren.

Abb.: Aufgrund der Graphen-Substrat-Wechselwirkung bilden sich Ansammlungen von Elektronen (rot) und Löchern (blau). Die unterschiedlichen Ladungsdichten in den Schichten erzeugen ein zufälliges Muster von wechselnden Dipolen und Bandlücken.

Die überraschenden Ergebnisse der Forschergruppe zeigten, dass es nicht nur lokale Unterschiede in der Stärke der elektrischen Ladung zwischen den beiden Graphen-Schichten gab. Es änderte sich zusätzlich auch das Vorzeichen der Ladung zwischen den einzelnen, zufällig verteilten Ladungsgebieten. Dabei schien die Wechselwirkung mit dem Isolatorsubstrat der Grund dafür zu sein, dass sich lokale Ansammlungen von Elektronen und Löchern in den Graphen-Schichten bildeten. In der unteren Schicht waren diese Ansammlungen aufgrund der Nähe zum Substrat größer. Der Unterschied zur oberen Graphen-Schicht führte dann zu der zufälligen Verteilung von wechselnden Ladungen und variierenden Bandlücken.

Über die Reinheit des Substrats könnten Wissenschaftler möglicherweise sogar die Bandlücke von Graphen kontrollieren und das Wundermaterial somit einen wesentlichen Schritt weiter in Richtung praktischer elektronischer Anwendungen bringen. Zwar verschlechtert sich die Bewegungsfreiheit von Elektronen in zweilagigem Graphen auf einem Substrat, doch dieser Nachteil könnte durch geschickte Beeinflussung der Graphen-Substrat-Wechselwirkung wieder ausgeglichen werden.

AL / National Institute of Standards and Technology


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