Al 15 jaar, wetenschappers hebben geprobeerd het "wondermateriaal" grafeen te exploiteren om elektronica op nanoschaal te produceren. Op papier, grafeen zou daar geweldig voor moeten zijn:het is ultradun - slechts één atoom dik en daarom tweedimensionaal, het is uitstekend geschikt voor het geleiden van elektrische stroom, en belooft veel voor toekomstige vormen van elektronica die sneller en energiezuiniger zijn. In aanvulling, grafeen bestaat uit koolstofatomen – waarvan we een onbeperkte voorraad hebben.

In theorie, grafeen kan worden gewijzigd om veel verschillende taken uit te voeren binnen b.v. elektronica, fotonica of sensoren door er simpelweg kleine patronen in te knippen, omdat dit de kwantumeigenschappen ervan fundamenteel verandert. Een "eenvoudige" taak, die verrassend moeilijk bleek te zijn, is om een ​​band gap te induceren, wat cruciaal is voor het maken van transistors en opto-elektronische apparaten. Echter, aangezien grafeen slechts een atoom dik is, zijn alle atomen belangrijk en zelfs kleine onregelmatigheden in het patroon kunnen de eigenschappen ervan vernietigen.

"Grafeen is een fantastisch materiaal, waarvan ik denk dat het een cruciale rol zal spelen bij het maken van nieuwe elektronica op nanoschaal. Het probleem is dat het buitengewoon moeilijk is om de elektrische eigenschappen te construeren, " zegt Peter Bøggild, hoogleraar aan de DTU Natuurkunde.

Het Center for Nanostructured Grapheneat DTU en Aalborg University zijn in 2012 opgericht om te onderzoeken hoe de elektrische eigenschappen van grafeen kunnen worden aangepast door op extreem kleine schaal van vorm te veranderen. Bij het daadwerkelijk modelleren van grafeen, het team van onderzoekers van DTU en Aalborg ervoer hetzelfde als andere onderzoekers wereldwijd:het werkte niet.

"Als je patronen maakt in een materiaal als grafeen, u doet dit om de eigenschappen ervan op een gecontroleerde manier te wijzigen, zodat ze passen bij uw ontwerp. Echter, wat we door de jaren heen hebben gezien, is dat we de gaten kunnen maken, maar niet zonder zoveel wanorde en vervuiling te introduceren dat het zich niet langer als grafeen gedraagt. Het lijkt een beetje op het maken van een waterleiding die gedeeltelijk verstopt is door een slechte fabricage. Aan de buitenkant, het ziet er misschien goed uit, maar water kan niet vrij stromen. Voor elektronica, dat is natuurlijk desastreus, ", zegt Peter Bøggild.

Nutsvoorzieningen, het team van wetenschappers heeft het probleem opgelost. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .Twee postdocs van DTU Physics, Bjarke Jessen en Lene Gammelgaard, eerst ingekapseld grafeen in een ander tweedimensionaal materiaal - zeshoekig boornitride, een niet-geleidend materiaal dat vaak wordt gebruikt om de eigenschappen van grafeen te beschermen.

Volgende, ze gebruikten een techniek genaamd elektronenstraallithografie om de beschermende laag van boornitride en grafeen eronder zorgvuldig te modelleren met een dichte reeks ultrakleine gaten. De gaten hebben een diameter van ca. 20 nanometer, met slechts 12 nanometer tussen hen - echter, de ruwheid aan de rand van de gaten is minder dan 1 nanometer, of een miljardste van een meter. Hierdoor kan 1000 keer meer elektrische stroom vloeien dan was gerapporteerd in zulke kleine grafeenstructuren. En niet alleen dat.

"We hebben aangetoond dat we de bandstructuur van grafeen kunnen controleren en kunnen ontwerpen hoe het zich zou moeten gedragen. Als we de bandstructuur beheersen, we hebben toegang tot alle eigenschappen van grafeen - en we ontdekten tot onze verbazing dat enkele van de meest subtiele kwantumelektronische effecten de dichte patronen overleven - dat is buitengewoon bemoedigend. Ons werk suggereert dat we achter de computer kunnen zitten en componenten en apparaten kunnen ontwerpen - of iets heel nieuws kunnen bedenken - en dan naar het laboratorium gaan en ze in de praktijk realiseren, " zegt Peter Bøggild. Hij vervolgt:

"Veel wetenschappers hadden al lang geen pogingen meer gedaan om nanolithografie in grafeen op deze schaal te maken, en het is heel jammer, omdat nanostructurering een cruciaal hulpmiddel is om de meest opwindende eigenschappen van grafeenelektronica en fotonica te benutten. Nu hebben we bedacht hoe het kan; men zou kunnen zeggen dat de vloek is opgeheven. Er zijn andere uitdagingen, maar het feit dat we de elektronische eigenschappen van grafeen kunnen aanpassen, is een grote stap in de richting van het creëren van nieuwe elektronica met extreem kleine afmetingen, ", zegt Peter Bøggild.