Forscher ebnen Weg zu Elektronik-Bauelementen aus Graphen

8. April 2011, 12:10
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Neues Verfahren macht das "Wundermaterial" mithilfe einer integrierten Elektrode gezielt ansteuerbar

Graphen gilt wegen seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften als eines der vielversprechendsten Materialien für zukunftige Technologien. Wissenschaftern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ist nun die Entwicklung eines Verfahrens gelungen, das es erlaubt, Bauelemente aus Graphen mithilfe einer integrierten Elektrode gezielt anzusteuern. Die neue Technik gilt als wichtige Voraussetzung für industrielle Anwendungen.

Graphen besteht aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, die in einem aus Sechsecken zusammengesetzten Netzwerk so angeordnet sind, dass sie den ersten tatsächlich zweidimensionalen Festkörper bilden. Graphen begründet damit eine neue Klasse von Materialien. Seine Entdeckung im Jahre 2004 hat zu weltweiten Forschungsaktivitäten geführt, die nur mit denen anlässlich der Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter vergleichbar sind.

Völlig neue Eigenschaften

2010 wurden bahnbrechende Experimente mit Graphen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die Begeisterung der Wissenschafter für dieses neue Material nährt sich aus den für einen Festkörper völlig neuen elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften des Graphens. Diese revolutionären Eigenschaften stellen für den Forscher ein faszinierendes Labor neuer Physik dar, das es zu ergründen gilt; sie bergen aber auch ein ungeahntes Potenzial für Anwendungen, die von neuartigen Halbleiterbauelementen über chemische und biologische Sensoren bis zu Quanten-Computern reichen.

Um das große Potenzial von Graphen für elektronische Anwendungen nutzen zu können, ist die Schichtherstellung in hoher Qualität auf kristallinen Halbleiterscheiben - so genannten Wafern - sehr wichtig. Hier konnten Forscher der FAU einen bedeutenden Beitrag leisten: Thomas Seyller hat 2009 ein Verfahren entwickelt, mit dem Graphen in höchster Qualität auf Siliziumkarbid-Kristallen synthetisiert werden kann. Das Verfahren gilt in der Fachwelt als ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer graphenbasierten Elektronik.

Graphen wird ansteuerbar

Der nächste wichtige Schritt ist es, ausgehend von Graphen-Wafern Bauelemente herzustellen. Insbesondere gilt es, die Graphenschichten für elektronische Anwendungen ansteuerbar zu machen. Hier kommt das Trägermaterial ins Spiel: Siliziumkarbid ist ein Halbleiter, der durch geschickte Manipulation als integrierte Ansteuerelektrode verwendet werden kann. Das ist Professor Heiko Weber und seinem Team jetzt gelungen. Die FAU-Forscher haben nicht nur Musterbauelemente hergestellt, sondern konnten auch die physikalischen Effekte en détail erklären, die bei Verwendung einer solchen Elektrode auftreten können.

Mit diesem Wissen ist es nun möglich, optimale integrierte Elektroden für Graphen für die verschiedensten Anwendungsbereiche maßzuschneidern. Der große Vorteil einer solchen Elektrode liegt auf der Hand: die Graphenschicht an der Oberfläche bleibt frei zugänglich. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten sowohl in der Forschung als auch in der Anwendung, z. B. für ultra-empfindliche Sensoren, die sogar einzelne Atome detektieren können. (red)


Abstract
Nature Materials: Bottom-gated epitaxial graphene

  • Die Grafik zeigt den Aufbau des neu entwickelten Musterbauelements: Graphen wird auf einen Siliziumkarbid-Kristall (grau) synthetisiert. Durch gezielte Manipulation der Kristalleigenschaften wird eine Ansteuerelektrode (blau) im Siliziumkarbid erzeugt, mit der - über Kontakte aus Gold - der Stromfluss durch die Graphenschicht gesteuert werden kann.
    grafik: j. jobst, j. lottes, m. krieger

    Die Grafik zeigt den Aufbau des neu entwickelten Musterbauelements: Graphen wird auf einen Siliziumkarbid-Kristall (grau) synthetisiert. Durch gezielte Manipulation der Kristalleigenschaften wird eine Ansteuerelektrode (blau) im Siliziumkarbid erzeugt, mit der - über Kontakte aus Gold - der Stromfluss durch die Graphenschicht gesteuert werden kann.

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