Neue Erkenntnisse über Wunderstoff Graphen

Graphen ist eine einlagige Kohlenstoffschicht. Das Potenzial dieses mit einmaligen strukturellen und elektronischen Eigenschaften ausgerüsteten Wundermaterials ist enorm und wurde bereits viel gepriesen – an den konkreten Umsetzungen und Anwendungen fehlt es aber immer noch. Wie so oft steckt der Teufel im Detail wenn es um eine nutzbare Anwendung geht. Doch in einem internationalen Projekt konnten nun viele Tücken des Materials mit Unterstützung des Wissenschaftsfonds FWF geklärt werden.

Halbleiter als Ziel

"Einzelne Bauelemente auf Graphen-Basis zeigen ja bereits herausragende Eigenschaften", erläutert der Projektleiter Thomas Pichler vom Bereich Elektronische Materialeigenschaften der Universität Wien, "doch der große Durchbruch in der Anwendung als integrierte elektronische Bauelemente steht noch aus. Es ist ganz einfach bisher nicht gelungen, dieses Material in einer zuverlässig reproduzierbaren Art und Weise für die etablierte Halbleitertechnologie zu nutzen." Eines der größten Hindernisse dafür war bisher die mangelnde Kontrolle, die man auf atomarem Level darüber hatte, wie Graphen mit seiner Umgebung interagiert. So war ein berechenbarer und damit gezielter Einsatz bisher kaum möglich. Ja, selbst die Wechselwirkung zwischen Graphen und dem Trägermaterial, auf das es aufgrund seiner geringen Dicke aufgebracht werden muss, war bisher nur teilweise verstanden. Das Projektteam um Pichler konnte genau das nun ändern.

Spannung mit Ladung

Dabei gelang es dem Team auch gleich einige überraschende neue Erkenntnisse zu gewinnen. "Wir konnten erstmals eine Korrelation zwischen einem Ladungstransfer – also der Verschiebung von Elektronen – und mechanischer Spannung von Graphen nachweisen", schildert Pichler ein herausragendes Ergebnis des Projekts, das vor Kurzem zu Ende gegangen ist. "Eine Beobachtung, die durchaus große praktische Bedeutung haben kann, denn zukünftig könnten so interne Spannungen in Bauelementen auf Graphenbasis ganz ohne Kontakt gemessen werden." Und auch bei der zielgerichteten Kontrolle der Umgebung von Graphen konnte das Team signifikante Erfolge erzielen: Im Rahmen des Projekts wurde es erstmals möglich, die Grenzfläche zwischen Graphen und klassischen Halbleitern wie Germanium auf atomarer Ebene exakt zu kontrollieren. Nach Einschätzung vieler ist dies ein wichtiger Fortschritt, um die nanoelektronischen Bauelemente auf Graphenbasis für die Halbleitertechnologie nutzbar zu machen.

Erfolg mit Methode

Entscheidend für den Erfolg des Kooperationsprojekts war dabei, dass es gelang, zwei methodisch unterschiedliche Verfahren optimal miteinander zu verbinden und einzusetzen. So nutzte das Team um Pichler modernste Messverfahren der Spektroskopie, die mit sogenannten Ab-initio-Rechnungen eines Teams um Ludger Wirtz vom Institut für Elektronik, Mikroelektronik und Nanotechnologie der Universität Lille ergänzt wurden.

Flächendeckend

Das zweite Erfolgsgeheimnis des Projekts war es, dass es gelang, großflächiges Graphen herzustellen, das elektronisch isoliert vorlag. Dies war das optimale Ausgangsmaterial für die experimentelle Arbeit. "Wir haben dann die elektronische Struktur des Graphens ganz gezielt manipuliert," erläutert Pichler die Vorgehensweise in dem Projekt. "Dazu haben wir beispielsweise bestimmte Atome des Substrats, auf dem das Graphen lag, gegen Wasserstoff- oder Stickstoffatome ausgetauscht und den Einfluss dieser Substitution auf das Graphen gemessen." Ein anderer Ansatz, den das Team um Pichler wählte, war die sogenannte Interkalation. Bei dieser werden dünnste Schichten von Kalium, Lithium, Kalzium oder Barium zwischen das Graphen und das Trägermaterial eingeschoben und der Effekt auf das Graphen charakterisiert. Insgesamt konnten so in dem FWF-Projekt viele zusätzliche Fortschritte erzielt werden, die für eine umfassende Nutzung des Wundermaterials Graphen noch notwendig sind. Denn vor der wirklichen Anwendung eines solchen "Wunderwuzzis" wie Graphen sind noch viele Herausforderungen zu meistern, deren Lösungen aus der Grundlagenforschung kommen werden.

Zur Person Thomas Pichler ist Leiter der Arbeitsgruppe Electronic Properties of Materials an der Fakultät für Physik der Universität Wien. Er ist Experte für die Kontrolle elektronischer und optischer Eigenschaften von Quantenfestkörpern wie Nanoröhren und Graphen. Vor seinem Ruf nach Wien war er Leiter der Arbeitsgruppe "Molekulare Nanostrukturen" am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden, Deutschland.

Publikationen

Atomically precise semiconductor - graphene and hBN interfaces by Ge intercalation, Verbitskiy, N.I., Fedorov, A.V., Profeta, G., Stroppa, A., Petaccia, L., Senkovskiy, B., Nefedov, A., Woell, C., Usachov, D. Yu., Vyalikh, D.V., Yashina, L.V., Eliseev, A .A., Pichler, T., Grueneis, A., Scientific Reports 5, Article number: 17700, doi:10.1038/srep17700, 2015

Tunable Interface Properties between Pentacene and Graphene on the SIC Substrate, Liu, X., Grüneis, A., Haberer, D., Fedorov, A.V., Vilkov, O., Strupinski, W., Pichler, T., Journal of Physical Chemistry C, 117, 3969-3975, 2013

Manifestation of Charged and Strained Graphene Layers in the Raman Response of Graphite Intercalation Compounds, Chacón-Torres, J. C., Wirtz, L. & Pichler, T., ACS Nano 7, 10, 9249-9259, 2013