Sinds de ontdekking van grafeen, er is een grote toekomst voorspeld voor het materiaal, die sterk en zeer geleidend is. Slechts één koolstofatoomlaag dik, grafeen kan leiden tot nieuwe elektronica. Voorbeelden zijn onder meer printbare en flexibele elektronica, touchscreens en OLED's. Voor deze, interactie met andere materialen nodig is, echter. Promovendus Menno Bokdam van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente onderzocht wat er gebeurt op het grensvlak met andere materialen en brengt grafeenelektronica zo een stap dichterbij. Op 15 november verdedigt hij zijn proefschrift.

Grafeen werd een 'wondermateriaal' genoemd toen Andre Geim en Konstantin Novoselov er in 2010 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor ontvingen. De koolstof is extreem dun, heeft een kippengaasstructuur, en kan elektronen zeer goed geleiden. Maar hoe gedraagt ​​het zich in contact met een ander materiaal met een vergelijkbare structuur, zoals boornitride? Wat gebeurt er als de boornitridelaag tussen een laag koper en een laag grafeen wordt ingebracht? Inzicht in de interfaces is cruciaal als je elektronica wilt ontwerpen.

'Kloof' of niet?

Bokdam heeft gedetailleerde elektronenstructuurtheorieberekeningen van grafeen op boornitride uitgevoerd. Dit materiaal is ook erg dun en heeft bijna precies dezelfde kippengaasstructuur, maar verschilt van grafeen omdat het geen elektriciteit geleidt. Boven elkaar geplaatst, een herverdeling van elektronen in het grafeen is te zien. Hierdoor ontstaat een patroon van elektronen en 'gaten', als een soort moirépatroon dat je ook ziet als twee staven over elkaar schuiven. Als de hoek tussen de twee maasstructuren precies is gekozen, er wordt ook een 'kloof' onthuld:een kloof tussen bezette en onbezette energietoestanden. Een elektron moet die kloof overbruggen om elektriciteit te geleiden:een bepalende eigenschap voor een halfgeleider. Er is een wereldwijde discussie over de vraag of de 'gap' er is of niet:een eerdere MESA+-publicatie over dit onderwerp is een van de meest geciteerde documenten van het instituut. Bokdam stelt nu voor dat de kloof niet ontstaat wanneer grafeen en boornitride onder een willekeurige hoek op elkaar worden gelegd, maar ontstaat wanneer ze precies ten opzichte van elkaar worden geroteerd.

buitenwereld

Wat als de combinatie grafeen/boornitride wordt toegepast op koper voor contact met de buitenwereld? In dat geval, een lastenverdeling, een zogenaamde dipoollaag, wordt ook gevormd op het grensvlak tussen koper en boornitride. Omdat de boornitridelaag ultradun is, de lading kan 'tunnelen' door het boornitride, hoewel het geen elektriciteit geleidt. De dipoollaag heeft een grote invloed op het aantal tunneling-elektronen. Door een geschikt metaal te kiezen en een elektrisch veld aan te leggen, de concentratie van ladingsdragers in grafeen en daarmee de geleiding door het grafeen kan worden beïnvloed.

Zo heeft hij inzicht ontwikkeld in de interactie tussen verschillende tweedimensionale materialen en met metalen. De bevindingen zijn belangrijk voor het ontwerpen van elektronische componenten op basis van grafeen en andere 2D-materialen.