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 Ventile für winzige Teilchen
23.05.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Advanced Materials: Glas wie Kunststoff bearbeiten
18.05.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics