Natuurkundigen van Forschungszentrum Jülich hebben een criterium ontwikkeld waarmee wetenschappers gericht op zoek kunnen gaan naar geschikte substraatmaterialen voor grafeen. Interacties met het substraatmateriaal leiden vaak tot verlies van de verbazingwekkende eigenschappen die deze bijzondere vorm van koolstof kenmerken. Samen met partners van andere instellingen, de wetenschappers konden aantonen dat de invloed van het substraat op de elektronische eigenschappen van grafeen kan worden geschat met behulp van een eenvoudige structurele parameter. De gerelateerde publicatie werd gekozen als Editor's Suggestion van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Harder dan diamant, taaier dan staal en vele malen meer geleidend dan silicium - deze en andere buitengewone eigenschappen zijn de reden waarom grafeen wereldwijd intensief wordt bestudeerd. Het materiaal is slechts één atomaire laag dik. Het gebruik ervan, echter, is tot nu toe vooral beperkt tot laboratoriumexperimenten. Een van de belangrijkste taken op weg naar praktische toepassingen is het zoeken naar geschikte substraatmaterialen, zonder welke het extreem dunne materiaal weinig zin heeft.

"We wilden gewoon een toegankelijke parameter vinden die kan worden gebruikt om verschillende substraten direct te vergelijken, " meldt Dr. François Bocquet. "Het beslissende criterium bleek de atomaire afstand tussen de grafeenlaag en het onderliggende substraat te zijn, " legt de natuurkundige en Helmholtz-postdoc van het Peter Grünberg-instituut in Jülich (BGA-3) uit.

Gezien de Van der Waals-straal - een bekende waarde voor de grootte van atomen in hun vrije staat - kan de sterkte van de interactie direct uit de afstand worden berekend. Computersimulaties uitgevoerd door wetenschappers van het Berlijnse Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society bevestigen dit resultaat.

Uiterst nauwkeurige metingen met röntgenstralen

Bij de Diamond synchrotron stralingsbron in Didcot, Oxfordshire, VK, François Bocquet en zijn collega's gebruikten röntgenstralen om de afstand tussen grafeen en zijn substraat te meten met een precisie tot op het picometerbereik. Een picometer komt overeen met een duizendste van een nanometer, oftewel een miljardste van een millimeter. Zo kunnen lengteverschillen worden bepaald die veel kleiner zijn dan de atoomdiameter.

De wetenschappers gebruikten siliciumcarbide met waterstof als monster op het oppervlak. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Stuttgart ontwikkelden het speciaal geprepareerde halfgeleidermateriaal pas enkele jaren geleden voor gebruik als substraatmateriaal voor grafeen. In tegenstelling tot de gebruikelijke metalen ondergronden, een grafeenlaag die op dit materiaal wordt afgezet, is vrijwel interactievrij en behoudt zo zijn buitengewone elektrische eigenschappen.

"Met de opkomst van deze nieuwe klasse substraten, het was tijd voor een nieuw criterium waarmee zelfs zeer zwakke interacties nauwkeurig kunnen worden gedetecteerd, " legt de directeur van het Jülich Peter Grünberg Instituut uit, Prof. Stefan Tautz, die aan het hoofd staat van het subinstituut Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3). "Met de technieken die tot nu toe beschikbaar zijn, bijvoorbeeld foto-elektronenspectroscopie, de mate van interactie met het substraat kon alleen indirect worden afgeleid. Obligaties zo zwak als deze konden nauwelijks worden gedetecteerd."