15 juni 2009
Unieke eigenschappen drielaags grafeen onderzocht
Een internationaal team, met onderzoekers van de Stichting FOM, het
Delftse Kavli Institute of Nanoscience, de Universiteit van Genève en
de Universiteit van Tokyo, heeft ontdekt dat drielaags grafeen unieke
elektronische eigenschappen heeft, die verrassend afwijken van de
eigenschappen van al eerder bestudeerde dunnere grafeenlagen. Het
onderzoek laat zien dat dunnere grafeenlagen niet zonder meer gezien
kunnen worden als de bouwstenen van dikkere lagen. De onderzoekers
publiceren deze maand hierover in het prestigieuze Nature
Nanotechnology.
Figuur 1. Drielaags grafeen
vergroten Figuur 1. Drielaags grafeen
Sample van drielaags grafeen, verbonden met twee elektrische contacten
('gates').
Figuur 2. Artistieke impressie
vergroten Figuur 2. Artistieke impressie
Artistieke impressie van sample met drielaags grafeen.
Sinds de ontdekking van grafeen - een laag koolstof van één atoom dik
- in 2004, is er veel wetenschappelijke aandacht geweest voor de
exotische elektronische eigenschappen van het materiaal. Zo is er
bijvoorbeeld het effect dat geladen deeltjes in grafeen hun massa
'verliezen'. Dit heeft een wereld van nieuwe fysische verschijnselen
geopend, die nog niet eerder waargenomen waren in andere materialen.
Terwijl velen zich bezighouden met de schijnbaar massaloze
ladingsdragers in enkellaags grafeen, is er nog maar weinig bekend
over hoe de elektronmassa overgaat van nul in een enkele laag grafeen,
naar een eindige waarde in grafiet.
Ook is er nog weinig duidelijkheid over het optimale aantal
grafeenlagen voor een gegeven toepassing, omdat de
geleidingseigenschappen van materiaal bestaande uit meer dan drie
grafeenlagen op elkaar nog niet volledig bekend zijn.
Dunste grafietfolie
Recent hebben dr. Monica F. Craciun (Universiteit van Tokyo) en dr.
Saverio Russo (FOM-onderzoeker bij het Kavli Institute of Nanoscience
in Delft) onderzoek gedaan naar ladingstransport in drielaags grafeen.
Drie is het minimum aantal lagen om alle fundamentele ingrediënten die
de elektronische eigenschappen van grafiet in de bulk bepalen te
kunnen onderzoeken. Drielaags grafeen zou je daarom ook 'het dunste
grafietfolie' kunnen noemen.
Het pionerende onderzoek bracht aan het licht dat drielaags grafeen
een materiaal is met unieke elektronische eigenschappen, die volstrekt
anders zijn dan de eigenschappen van enkel- of dubbellaags grafeen.
Met geavanceerde nanofabricatietechnieken maakten de onderzoekers een
gelaagde structuur, waarbij het drielaagse grafeen tussen de
parallelle platen van een condensator ligt. Er zijn twee elektrische
contacten aan de structuur verbonden, de 'gates' (zie figuur). Met dit
slim ontworpen systeem kunnen de onderzoekers het transport van
ladingsdragers in het drielaagse grafeen meten als een functie van het
externe elektrische veld. Dit veld wordt aangelegd tussen de platen
van de condensator, loodrecht op de lagen.
Instelbare weerstand
Met metingen aan ladingstransport bij lage temperaturen werd gevonden
dat de elektrische weerstand van het drielaagse grafeen sterk afneemt,
wanneer de sterkte van het elektrisch veld vergroot wordt. Dit is heel
anders dan het gedrag dat één- en tweelaags grafeen laat zien. Voor
een enkele laag hangt de weerstand niet af van het elektrisch veld,
terwijl voor een dubbele laag de weerstand juist ordes van grote
stijgt als er een elektrisch veld wordt aangebracht.
De weerstand van drielaags grafeen kan dus ingesteld worden door een
bepaalde sterkte van het elektrisch veld te kiezen. De achtergrond
hiervan is dat grafeen het enige semi-metaal is waarbij de overlap in
de valentie- en conductieband in te stellen is door een extern
elektrisch veld.
Dit onderzoek laat zien dat enkel- en dubbellaags grafeen niet zonder
meer gezien kan worden als de bouwstenen van de dikkere lagen. Elke
grafeenlaag op zich is een uniek materiaalsysteem met grotendeels
onverkende elektronische eigenschappen.
Drielaags grafeen met een instelbare weerstand kan van groot belang
zijn voor het sneller maken van elektronica en voor toepassing in
moleculaire sensoren.
Het werk is het resultaat van een vruchtbare internationale
samenwerking tussen het Kavli Institute in Delft (Nederland), prof.
Dr. Alberto Morpurgo van de Universiteit van Genève (Zwitserland) and
prof.dr. Seigo Tarucha van de Universiteit van Tokyo (Japan). Deze
samenwerking is in november 2008 gestart door Saverio Russo and Monica
Craciun.
In hetzelfde nummer van Nature Nanotechnology staat tevens een ander
artikel van FOM-onderzoekers, eveneens verbonden aan het Delftse Kavli
Institute of Nanoscience.
Over dit onderzoek van prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven en dr. Gary Steele,
berichtten wij al eerder op deze site.
Stichting FOM