Germaneen is een 2D-materiaal afgeleid van germanium en verwant aan grafeen. Omdat het niet stabiel is buiten de vacuümkamers waarin het wordt geproduceerd, er zijn geen echte metingen van de elektronische eigenschappen gedaan. Wetenschappers onder leiding van prof. Justin Ye van de Rijksuniversiteit Groningen hebben nu apparaten gemaakt met stabiel germaneen. Het materiaal is een isolator, en het wordt een halfgeleider na matige verwarming en een zeer goede metalen geleider na sterkere verwarming. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Materialen van slechts één atoomlaag zijn van belang bij de constructie van nieuwe soorten micro-elektronica. De bekendste hiervan, grafeen, is een uitstekende dirigent. Materialen als silicium en germanium kunnen ook interessant zijn, omdat ze volledig compatibel zijn met gevestigde protocollen voor de fabricage van apparaten, en naadloos kunnen worden geïntegreerd in de huidige halfgeleidertechnologie.

"Maar de 2D-versie van germanium, Duits, is erg onstabiel, ", legt universitair hoofddocent apparaatfysica Justin Ye van de RUG uit. Germaneen wordt gemaakt van germanium door calcium toe te voegen. De calciumionen creëren 2D-lagen uit een 3D-kristal en worden vervolgens vervangen door waterstof. Deze 2D-lagen van germanium en waterstof worden germanaan genoemd, maar zodra de waterstof is verwijderd om germaneen te vormen, het materiaal wordt onstabiel.

Ye en zijn collega's hebben dit op een opmerkelijk eenvoudige manier opgelost. Ze maakten apparaten met het stabiele germanaan, en vervolgens het materiaal verwarmd om de waterstof te verwijderen. Dit resulteerde in stabiele apparaten met germaneen, waardoor de wetenschappers de elektronische eigenschappen ervan konden bestuderen.

Waterstof

"Het oorspronkelijke materiaal was een isolator, " zegt Ye. Een promovendus uit zijn groep verwarmde deze apparaten, wat een beproefde methode is om de geleidbaarheid te verhogen. Hij merkte op dat het materiaal zeer geleidend werd, en zijn weerstand was slechts één orde van grootte hoger dan die van grafeen. "Dus het werd een uitstekende metalen geleider." Verdere experimenten toonden aan dat matige verhitting (tot 200°C) halfgeleidend germanaan produceerde.

Germanene kan, daarom, een isolator zijn, een halfgeleider of een metalen geleider, afhankelijk van de warmtebehandeling waarmee het is verwerkt. Het blijft stabiel na te zijn afgekoeld tot kamertemperatuur. De verhitting zorgt ervoor dat meerlaagse vlokken germaneen dunner worden - een bevestiging dat de verandering in geleidbaarheid hoogstwaarschijnlijk wordt veroorzaakt door het verdwijnen van waterstof.

Germanene zou van belang kunnen zijn bij de constructie van spintronische apparaten. Deze apparaten gebruiken een stroom van elektronenspins. Dit is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, die het best kan worden voorgesteld als elektronen die om hun eigen as draaien, waardoor ze zich gedragen als kleine kompasnaalden. Grafeen is een uitstekende geleider van elektronenspins, maar het is moeilijk om spins in dit materiaal te beheersen vanwege hun zwakke interactie met de koolstofatomen (spin-baankoppeling).

"De germaniumatomen zijn zwaarder, wat betekent dat er een sterkere spin-baankoppeling is, ", zegt Ye. Dit zou zorgen voor een betere controle van spins. In staat zijn om metallisch germaneen te construeren met zowel een uitstekende geleidbaarheid als een sterke spin-baankoppeling zou daarom de weg moeten effenen voor spintronische apparaten.