De interacties tussen grafeen en zijn omgeving hebben een significante invloed op het gebruik van dit veelbelovende materiaal door de halfgeleiderindustrie. Dankzij de uitgebreide bevindingen van een internationaal onderzoeksproject, deze interacties worden nu beter begrepen en kunnen daardoor worden gecontroleerd.

Grafeen is een atoomdunne laag koolstof. Dankzij de unieke structurele en elektronische kenmerken, het materiaal heeft een enorm potentieel en is het middelpunt van hoge verwachtingen - echter, concrete toepassingen en toepassingen moeten nog plaatsvinden. Zoals zo vaak het geval is als het gaat om een ​​levensvatbare toepassing, de duivel is in de details. Een project dat wordt gefinancierd door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF is erin geslaagd om een ​​aantal van deze details onder de knie te krijgen.

Gericht op halfgeleiders

"Individuele componenten op basis van grafeen hebben al uitstekende eigenschappen, " legt projectleider Thomas Pichler van de afdeling Electronic Properties of Materials van de Universiteit van Wenen uit. "Echter, de grote doorbraak in de toepassing ervan als geïntegreerde elektronische component is er nog niet. Het was gewoon niet mogelijk om dit materiaal te gebruiken voor gevestigde halfgeleidertechnologie op een manier die betrouwbaar kan worden gerepliceerd." Een van de grootste obstakels is het gebrek aan controle over grafeeninteracties met zijn omgeving op atomair niveau. het was bijna onmogelijk om het materiaal op een voorspelbare en doelgerichte manier in te zetten. Zelfs de interactie tussen grafeen en het substraat, waarop het moet worden aangebracht vanwege zijn extreme dunheid, werd slechts ten dele begrepen. Pichler en zijn onderzoeksteam hebben nu de aard van deze interactie bepaald.

Zeef met lading

Het team slaagde er ook meteen in om verrassende nieuwe inzichten op te doen. "We konden voor het eerst een verband aantonen tussen ladingsoverdracht - de verschuiving van elektronen - en mechanische spanning in grafeen, ", zegt Pichler. "Deze observatie kan van grote praktische betekenis zijn, omdat het betekent dat de volledig contactloze meting van interne spanning in op grafeen gebaseerde componenten in de toekomst mogelijk kan zijn."

Het team behaalde ook aanzienlijke successen in de gerichte controle van de omgeving van grafeen. In het kader van het project, het was voor het eerst mogelijk om de interface tussen grafeen en traditionele halfgeleiders zoals germanium op atomair niveau te regelen. Velen beschouwen dit als een belangrijke stap om op grafeen gebaseerde nano-elektronische componenten bruikbaar te maken voor halfgeleidertechnologie.

Succes met methode

Cruciaal voor het succes van het samenwerkingsproject was de optimale combinatie en uitvoering van twee processen. Pichler en zijn team gebruikten de allernieuwste spectroscopie-meettechnieken en vulden deze aan met zogenaamde ab-initio berekeningen, die werden uitgevoerd door een team onder leiding van Ludger Wirtz van het Institute for Electronics, Micro-elektronica en nanotechnologie aan de Universiteit van Lille.

Uitgebreide voorbeelden

Het project slaagde erin uitgebreide monsters van elektronisch geïsoleerd grafeen te produceren. Dit leverde een optimaal uitgangsmateriaal voor het experimentele werk. "We hebben toen opzettelijk de elektronische structuur van het grafeen gemanipuleerd, " zegt Pichler, uitleg over de aanpak van het project. "Om dit te doen, bijvoorbeeld, we hebben bepaalde atomen in het grafeensubstraat vervangen door waterstof- of stikstofatomen en de impact van deze substitutie op het grafeen gemeten. flinterdunne laagjes kalium, lithium of barium wordt tussen het grafeen en het substraat ingebracht en de resulterende impact op het grafeen wordt gekarakteriseerd.

Deze stappen maakten de weg vrij voor vele andere vorderingen die voortkwamen uit het FWF-project, die nog steeds nodig zijn om het alomvattende gebruik van het wondermateriaal grafeen mogelijk te maken. Er moeten nog veel uitdagingen worden overwonnen voordat een "wondermiddel" als grafeen in de praktijk kan worden gebruikt. Fundamenteel onderzoek zal een sleutelrol spelen bij het overwinnen van deze uitdagingen.