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Schmale Nanobänder für Graphen-Transistoren
Archiv | 31.07.2010 | Forscher der Empa und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung berichten, wie es ihnen erstmals gelungen ist, mit einer einfachen chemischen Methode wenige Nanometer breite Bänder aus Graphen auf Oberflächen wachsen zu lassen. Graphenbänder gelten als «heisse Kandidaten» für künftige Elektronikanwendungen, da sich – je nach Breite und Randform – ihre Eigenschaften einstellen 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.
Graphenbänder im Nanometermassstab
Bis anhin 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.
Graphenbänder wachsen lassen
In der «Nature»-Ausgabe vom 22. Juli 2010 beschreiben die Forscher um
Roman Fasel, Senior Scientist an der Empa und Professor für Chemie und
Biochemie an der Universität Bern, und Klaus Müllen, Direktor am
Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 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.
Untersuchungen zu weiteren Eigenschaften
Da die Forscher nun Graphenbänder (fast) nach Belieben herstellen
können, möchten sie als nächstes untersuchen, wie sich etwa die
magnetischen Eigenschaften der Graphenbänder in Abhängigkeit von den
verschiedenartigen Rändern beeinflussen lassen. Die oberflächenchemische
Methode eröffnet aber auch interessante Perspektiven hinsichtlich der
gezielten Dotierung von Graphenbändern: Die Verwendung von
Monomerbausteinen mit Stickstoff- oder Boratomen an genau definierten
Positionen oder von Monomeren mit zusätzlichen funktionellen Gruppen
müsste die Herstellung positiv und negativ dotierter Graphenbänder
ermöglichen. Auch eine Kombination verschiedenartiger Monomere ist
möglich und könnte beispielsweise die Herstellung so genannter
Heteroübergänge erlauben – Schnittstellen zwischen verschiedenartigen
Graphenbändern, etwa mit kleiner und grosser Bandlücke –, die in
Solarzellen oder Höchstfrequenzbauelementen zum Einsatz kommen könnten.
Dass das zugrunde liegende Bauprinzip auch hierfür funktioniert, haben
die Forscher bereits bewiesen: Mit zwei passenden Monomere haben sie mit
einem Knotenpunkt drei Graphenbänder miteinander verknüpft.
Bis anhin konzentrierten sich die Forscher auf Graphenbänder auf
Metalloberflächen. Damit die Graphenbänder allerdings für die Elektronik
genutzt werden können, müssen diese auf Halbleiteroberflächen
hergestellt oder Methoden entwickelt werden, um die Bänder von Metall-
auf Halbleiteroberflächen zu übertragen. Und auch hierfür stimmen erste
Ergebnisse die Forscher bereits zuversichtlich.
Literaturangaben
«Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons», 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, Nature,
22 July 2010, Vol. 466, No. 7305, pp 470-473, doi:10.1038/nature09211
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