Stichting FOM
6 juni 2011, 2011/20
Grafeen laat elektronengolven stapsgewijs door
Experimentele natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben
het golfkarakter van elektronen voor het eerst waargenomen op het
moment dat deze door een smalle strook van grafeen bewegen. Zij
veranderden in een grafeentransistor de golflengte van de elektronen.
De elektrische geleiding blijkt stapsgewijs te veranderen als functie
van de golflengte. Met dit werk zetten de onderzoekers een belangrijk
stap naar de ontdekking van nieuwe quantummechanische effecten in
grafeentransistoren. Zij publiceerden hun resultaten gisteren online in
het toonaangevende tijdschrift Nature Physics.
Figuur 1. Een elektronenmicroscoopopname van een vrij hangende
grafeentransistor
vergroten Figuur 1. Een elektronenmicroscoopopname van een vrij
hangende grafeentransistor
Een grafeenstrook van één µm breed is gecontacteerd door vier metalen
elektrodes. Als de breedte van de grafeentransistor maar een paar
honderd nanometer klein is (zoals te zien is in het midden van deze
foto), dan spelen de randen van de transistor een cruciale rol in het
ontwikkelen van quantummechanische effecten.
Figuur 2. Een meting van de elektrische geleiding G door een
grafeentransistor
vergroten Figuur 2. Een meting van de elektrische geleiding G door een
grafeentransistor
Hier is te zien dat op het moment dat de golflengte l van de
elektronen verkleind wordt (door k =2p/l te vergroten), de
geleiding stapsgewijs verhoogt in stappen van de elementaire geleiding
2e^2/h, met h de Planck constante en e de elektrische lading.
Grafeen, een één atoom dikke laag van koolstofatomen, is een
veelbelovend materiaal in de nanotechnologie. Het werd in 2004 voor het
eerst geïsoleerd uit bulk grafiet door Andre Geim en Konstantin
Novoselov die hiervoor in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde
kregen. Grafeen is een uitstekende thermische en elektrische geleider
met bijzondere elektronische eigenschappen. Een elektron kan zich
klassiek gedragen als een soort biljartbal die vrij kan bewegen in een
grafeenstrook en terugkaatst bij de randen. Een elektron kan ook
quantummechanisch beschreven worden als een golf met een specifiek
golflengte. De theorie voorspelt dat het verkleinen van de breedte van
een grafeenstructuur tot een paar nanometers kan leiden tot nieuwe
quantummechanische effecten, zoals het veranderen van metallisch
grafeen in een halfgeleidend materiaal.
Rafelrand
Tot nu toe was de verwachting dat deze effecten alleen zouden optreden
in grafeenstructuren met randen die op atomaire schaal perfect zijn.
Technisch gezien is het op dit moment nog niet mogelijk om perfecte
randen te fabriceren. Wetenschappers van het Zernike Institute for
Advanced Materials te Groningen laten nu in een experiment zien dat
zelfs voor een ruwe rand dit soort quantummechanische effecten mogelijk
zijn. Zij laten zien dat het aantal elektronengolven dat past in de
grafeenstrook bepalend is voor de elektrische geleiding.
Experimenteel hoogstandje
Om deze effecten te kunnen zien is het cruciaal dat de
grafeentransistor zo vrij mogelijk is van onzuiverheden. Omdat de
meeste onzuiverheiden in het substraat zelf te vinden zijn, is in dit
experiment gekozen om de grafeen laag te ontkoppelen van het substraat
door het polymeersubstraat onder de grafeentransistor selectief te
verwijderen. Dit leidt tot een vrij hangende grafeentransistor van de
hoogst mogelijke elektronische kwaliteit. Een volgende stap is om te
onderzoeken of deze effecten ook te zien zijn in een grafeentransistor
gefabriceerd op een substraat met een zo klein mogelijk aantal
onzuiverheden, zoals op een boron nitride kristal.
Het onderzoek aan de Rijksuniversiteit Groningen is mede gefinancierd
door: de Stichting FOM in het programma 'Graphene-based electronics' en
het FOM-programma, 'Quantum information processing', een NWO Toptalent
subsidie en Veni-subsidie en door NanoNed.
Referentie:
Quantized conductance of a suspended graphene nanoconstriction ,
N.Tombros et al.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Niko Tombros, telefoon (050) 363 89 74 en Bart van Wees, telefoon
(050) 363 49 33