Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dotierte Graphenbänder mit Potential

08.09.2014

Als ultraschmales Band hat Graphen Halbleitereigenschaften– obwohl das Material eigentlich leitend ist.

Forschende der Empa und des Max Planck Institutes für Polymerforschung haben nun Graphenmoleküle mit Stickstoffatomen dotiert. Indem sie dotierte und nicht-dotierte Graphenstücke nahtlos aneinanderreihten, konnten sie in den Nanobändern «Heteroübergänge» etablieren, die Voraussetzung, dass Strom beim Anlegen einer Spannung nur in eine Richtung fliesst – der erste Schritt zu einem Graphen-Transistor. Zudem ist es dem Team gelungen, die Graphenbänder von ihrer Goldunterlage, auf der sie gewachsen sind, zu lösen und auf ein nichtleitendes Material zu übertragen.


Illustration eines p-n-Übergangs in einer Heterostruktur aus reinen und Stickstoff-dotierten (blau leuchtenden) Segmenten eines Graphenbandes

Graphen besitzt viele herausragende Eigenschaften: Es leitet ausgezeichnet Wärme und Strom, ist durchsichtig, härter als Diamant und enorm fest. Doch um effiziente elektronische Schalter daraus zu bauen, muss ein Material nicht nur hervorragend leiten können, sondern sollte auch «an»- und «ausgeschaltet» werden können. Dazu braucht es die so genannte Bandlücke, die den isolierenden Zustand in Halbleitern ermöglicht. Das Problem: Die Bandlücke ist bei Graphen verschwindend klein. Empa-Forschende der Abteilung «nanotech@surfaces» hatten deshalb vor einiger Zeit eine Methode entwickelt, eine Form von Graphen mit grösseren Bandlücken zu synthetisieren. Dazu liessen sie ultraschmale Graphenbänder durch molekulare Selbstorganisation «wachsen».

Graphenbänder aus unterschiedlich dotierten Segmenten

Nun haben die Forscher um Roman Fasel ein weiteres Etappenziel erreicht: Graphenbänder aus unterschiedlich dotierten Teilsegmenten. Anstatt der immer selben, «reinen» Kohlenstoffmoleküle verwendeten sie zusätzlich dotierte Moleküle – Moleküle, die an genau definierten Positionen mit «Fremdatomen», in diesem Fall Stickstoff, ausgestattet sind. Indem sie «normale» und mit Stickstoff dotierte Segmente auf einer Goldoberfläche (Au(111)) aneinander reihten, entstanden zwischen den einzelnen Segmenten so genannte Heteroübergänge.

Die Forscher haben gezeigt, dass diese ähnliche Eigenschaften aufweisen wie ein klassischer p-n-Übergang – also ein Übergang von einer Region positiver zu einer Region negativer Ladungen in einem Halbleiterkristall und die strukturelle Grundlage für viele Bauelemente der Halbleiterindustrie. Ein p-n-Übergang bewirkt, dass der Strom nur in eine Richtung fliesst. Wie Empa-Forscher gemeinsam mit Kollegen vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy/NY theoretisch dargelegt haben, ermöglicht die neue Graphenstreifen-Heterostruktur – wenn eine äussere Spannung angelegt wird – auch eine effiziente Trennung von Elektron-Loch-Paaren. Dies beeinflusst ganz direkt die Stromausbeute einer Solarzelle. Die entsprechenden Heteroübergänge in segmentierten Graphenbändern beschreiben die Forscher in der gerade erschienen Ausgabe von «Nature Nanotechnology».

Graphenbänder auf andere Substrate übertragen

Dabei lösten die Wissenschaftler noch ein weiteres Problem der Integration von Graphen-Nanotechnologie in die herkömmliche Halbleiterindustrie: Wie überträgt man die ultradünnen Graphenbänder auf eine andere Oberfläche? Denn so lange die Graphenbänder auf einem Metallsubstrat (wie hier Gold) liegen, sind sie als elektronische Schalter nicht zu gebrauchen. Gold leitet nämlich und erzeugt einen Kurzschluss, der die interessanten halbleitenden Eigenschaften des Graphenbands «sabotiert». Fasels Team und Kollegen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz ist es gelungen zu zeigen, dass Graphenbänder in einem relativ einfachen Ätz- und Reinigungsprozess effizient und intakt auf ein (fast) beliebiges Substrat übertragen werden können, etwa auf Saphir, Kalziumfluorid oder Siliziumoxid.

So mausert sich Graphen immer mehr zu einem interessanten Halbleitermaterial und zu einer willkommenen Ergänzung des omnipräsenten Siliziums. Attraktiv sind die halbleitenden Graphenbänder deshalb, weil sie kleinere und somit energieeffizientere und schnellere elektronische Bauteile ermöglichen könnten als Silizium. Mit dem Einsatz von Graphenbändern in der Elektronikwelt ist allerdings noch nicht sehr bald zu rechnen. Gründe dafür sind Probleme beim Hochskalieren auf Industriemassstäbe oder beim Ersetzen von etablierter konventioneller Elektronik auf Siliziumbasis. Fasel schätzt, dass es noch etwa 10 bis 15 Jahre dauern dürfte, bis die ersten elektronischen Schalter aus Graphenbändern in einem Produkt verwendet werden könnten.

Graphenbänder für photovoltaische Bauteile

Auch photovoltaische Bauteile könnten dereinst auf Graphen basieren. In einer zweiten Arbeit, erschienen in «Nature Communications», beschreiben Pascal Ruffieux – ebenfalls aus der Empa-Abteilung «nanotech@surfaces» – und seine Kolleginnen und Kollegen einen möglichen Einsatz von Graphenstreifen etwa in Solarzellen. Ruffieux und Co. war aufgefallen, dass besonders schmale Graphenbänder sichtbares Licht aussergewöhnlich gut absorbieren und sich daher hervorragend als Absorberschicht in organischen Solarzellen eignen. Im Gegensatz zu «normalem» Graphen, das Licht bei allen Wellenlängen gleich stark absorbiert, kann die Lichtabsorption bei Graphennanobändern für bestimmte Wellenlängen gezielt und massiv erhöht werden, indem die Forscher die Breite der Graphenbänder atomar präzise «einstellen».

Unterstützung

Unterstützt wurde die Arbeit vom Schweizerischen Nationalfonds, von der Europäischen Wissenschaftsstiftung (ESF), vom Europäischen Forschungsrat (ECR) und vom Office of Naval Research (ONR).

Literaturhinweise
Graphene nanoribbon heterojunctions, J Cai, C A Pignedoli, L Talirz, P Ruffieux, H Söde, L Liang, V Meunier, R Berger, R Li, X Feng, K Müllen, R Fasel, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/nnano.2014.184
Exciton-dominated optical response of ultra-narrow graphene nanoribbons, R Denk, M Hohage, P Zeppenfeld, J Cai, C A Pignedoli, H Söde, R Fasel, X Feng, K Müllen, S Wang, D Prezzi, A Ferretti, A Ruini, E Molinari, P Ruffieux, Nature Communications, 2014 Jul 8;5:4253, DOI: 10.1038/ncomms5253

Weitere Informationen
Prof. Dr. Roman Fasel, nanotech@surfaces, +41 58 765 43 48, roman.fasel@empa.ch
Dr. Pascal Ruffieux, nanotech@surfaces, +41 58 765 46 93, pascal.ruffieux@empa.ch
Redaktion / Medienkontakt
Martina Peter, Kommunikation, Tel. +41 58 765 49 87, redaktion@empa.ch

Weitere Informationen:

http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/150695/---/l=1

Martina Peter | EMPA

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Wussten Sie, dass Verpackungen durch Flash Systeme intelligent werden?
23.05.2017 | Heraeus Noblelight GmbH

nachricht Bessere Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Akkus
17.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften