Stichting FOM
2 oktober 2009, 2009/36
Opgerekt grafeen blijkt goede halfgeleider
Een internationale groep onderzoekers heeft ontdekt dat grafeen als
halfgeleidermateriaal geschikt is. Dit leek tot nu toe onmogelijk.
Door het materiaal simpelweg op te rekken ontstaan de eigenschappen
die nodig zijn voor een goede halfgeleider. FOM-werkgroepleider
Mikhail Katsnelson van de Radboud Universiteit Nijmegen, Andre Geim en
Francisco Guinea, publiceren hun resultaten online in het
gerenommeerde tijdschrift Nature Physics van 27 september.
Figuur 1. Verdeling van pseudomagnetisch veld
vergroten Figuur 1. Verdeling van pseudomagnetisch veld
Krachten die op een hexagonaal stukje grafeen werken zijn equivalent
met de werking van een magnetisch veld. De verdeling van dit
pseudomagnetische veld is weergegeven in de figuur.
Figuur 2. Quantisatie van energieniveaus in opgerekt grafeen
vergroten Figuur 2. Quantisatie van energieniveaus in opgerekt grafeen
Quantisatie van energieniveaus in opgerekt grafeen - analoog aan het
quantum Hall effect, zonder een echt magnetisch veld.
Grafeen heeft geen 'bandgap' in het energiespectrum, een
karakteristieke eigenschap van materialen die in de
halfgeleiderindustrie worden gebruikt. In grafeen kan echter wel een
bandgap worden geopend, zo blijkt nu, door het materiaal op te rekken.
Grafeen is zeer flexibel en tot 20% oprekbaar zonder onzuiverheden in
het materiaal te introduceren. Als grafeen opgerekt wordt verandert de
electronische structuur. Niet alle manieren van oprekken kunnen van
grafeen een betere transistor maken, maar als de krachten langs de
hoofdrichtingen van het hexagonale kristalrooster werken, ontstaat een
halfgeleider-bandgap die groot genoeg is voor toepassingen in de
elektronica. Oprekking van grafeen kan gebruikt worden om nieuwe
varianten van grafeen te maken met eigenschappen die beter of anders
zijn dan die van het oorspronkelijke materiaal.
Grafeen
Grafeen is een van de meest veelbelovende materialen voor de
ontwikkeling van elektronica, omdat hiermee veel kleinere en snellere
transistoren gemaakt kunnen worden. Grafeen bestaat uit een enkele
tweedimensionale laag koolstofatomen, ontdekt in 2004 door de groep
van Andre Geim aan de University of Manchester. Door het ontbreken van
een bandgap kunnen transistoren die op grafeen gebaseerd zijn helaas
niet goed werken. Dit vanwege het optreden van zogenaamde 'Klein
tunneling', een proces dat in 2006 theoretisch voorspeld is door
Mikhail Katsnelson en recent experimenteel is bevestigd door andere
onderzoekers. Deze Klein tunneling maakt het onmogelijk om
transistoren op basis van grafeen te gebruiken in dichtgepakte
geïntegreerde circuits. De zoektocht naar nieuwe methoden om de
bandgap in grafeen te openen is in volle gang in veel academische en
industriële laboratoria over de hele wereld. Geen van de mogelijkheden
die tot nu toe zijn gesuggereerd leken echter toepasbaar.
Opening
Het mechanisme dat de bandgap opent werkt op dezelfde manier als de
invloed van een erg sterk magnetisch veld op grafeen. Het oprekken
gaat daarom ook vergezeld van interessante en druk onderzochte
fenomenen als het quantum Hall effect en topologische isolatoren, een
ander interessant nieuw onderzoeksgebied. Het quantum hall effect is
een van de weinige voorbeelden van macroscopische quantumfenomenen
(samen met supergeleiding en superfluïditeit). Het wordt veroorzaakt
door een dramatische verandering van het elektronische spectrum onder
invloed van een extern magnetisch veld. In grafeen is nu voor het
eerst aangetoond dat een vergelijkbare situatie gerealiseerd kan
worden zonder magnetisch veld, maar door middel van oprekking.
Het werk van Mikhail Katsnelson is onderdeel van een FOM-programma
voor de studie naar de eigenschappen van grafeen waar onderzoekers uit
Nijmegen, Leiden, Delft en Groningen bij zijn betrokken.
Referentie
Guinea, F., Katsnelson, M.I., Geim, A.K., Energy gaps and a zero-field
quantum Hall effect in graphene by strain engineering, Nat Phys -
2009/09/27/online,
http://dx.doi.org/10.1038/nphys1420
Contact
Mikhail Katsnelson, 024-365 29 95.