Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schalter aus Graphen: Gruppe am HZB erreicht erste Etappe

27.11.2012
Seit Graphen vor wenigen Jahren erstmals isoliert worden ist, gilt das quasi-zweidimensionale Netz aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen als Wundermaterial.
Es ist nicht nur mechanisch enorm belastbar, sondern auch als Basis für neue spintronische Bauelemente interessant, die die magnetischen Momente der Leitungselektronen nutzen.

Eine Gruppe von Physikern aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin um Dr. Andrei Varykhalov und Prof. Dr. Oliver Rader hat nun einen ersten Schritt auf dem Weg zu Graphen-Bauelementen gemacht. Dabei arbeiteten sie mit Kollegen aus St. Petersburg, Jülich und Harvard zusammen.
Wie sie am 27. 11.2012 in Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms2227) berichten, gelang es ihnen, die so genannte Spin-Bahn-Kopplung der Leitungselektronen im Graphen um den Faktor 10.000 zu erhöhen. Dies reicht aus, um damit einen Schalter zu realisieren, der über kleinste elektrische Felder gesteuert werden kann.

Die Graphenschicht befand sich dafür auf einem Substrat aus Nickel, dessen Atome untereinander fast die gleichen Abstände haben wie die sechseckigen Maschen des Graphennetzes. Anschließend bedampften die Physiker diese Probe mit Goldatomen, die zwischen Graphen und Nickel krochen.

Eine Aufnahme mit dem Rastertunnelmikroskop zeigt die Topografie von Graphen auf Gold. Durch Überlagerung der Goldstruktur und der sechseckigen Bienenwaben-Struktur des Graphens entsteht eine regelmäßige Überstruktur (Moiréstruktur), die zehnfach größer ist als die Maschen des Graphennetzes. Der Begriff stammt von der Moiré-Seide, wo der gleiche Effekt eine typische Maserung erzeugt. Diese Moiréstruktur beeinflusst die chemische Wechselwirkung zwischen den beiden atomaren Schichten und darüber auch die elektronischen Eigenschaften und das Verhalten der Spins.

Bild: HZB/Andrei Varykhalov

Am Elektronenbeschleuniger BESSY II konnten sie mit verschiedenen spektroskopischen Methoden messen, wie sich dadurch die elektronischen Eigenschaften im Graphen veränderten: Ganz genau wie die Erde verfügen Elektronen über zwei Drehimpulse, den Bahndrehimpuls, der sie um den Atomkern kreisen lässt, sowie den Spin, der einer Drehung um sie selbst entspricht.

Eine starke Spin-Bahn-Kopplung bedeutet dann einen großen Energieunterschied je nachdem, ob beide Drehungen miteinander oder entgegengerichtet sind. Nun ist bei leichten Kernen wie den Kohlenstoff-Atomen die Wechselwirkung zwischen Spin und Bahn eher schwach, bei schweren Atomen wie den Goldatomen dagegen sehr stark. „Wir konnten zeigen, dass die Goldatome über ihre Nähe zur Graphenschicht diese Wechselwirkung auch in der Graphenschicht um den Faktor 10.000 erhöhen“, erklärt Dmitry Marchenko, der die Messungen im Rahmen seiner Promotion durchgeführt hat.

Diese sehr starke Spin-Bahn-Kopplung würde es ermöglichen, eine Art Schalter zu bauen, sagt Varykhalov, denn nun könnte ein elektrisches Feld die Spins drehen. Zwei Spinfilter vor und hinter dem Bauelement würden jeweils nur Spins in einer Richtung durchlassen. Stünden die Spinfilter senkrecht zueinander, käme kein Spin mehr durch, der Schalter wäre geschlossen. Ein elektrisches Feld würde die Spins jedoch drehen, so dass es den Schalter wieder teilweise oder sogar ganz aufdrehen könnte.

„Wir haben sogar nachweisen können, dass nur die Elektronen in den 5d-Orbitalen der Gold-Atome die Spin-Bahn-Wechselwirkung im Graphen erhöhen. Das stimmt mit den theoretischen Modellen überein“, sagt Varykhalov. Doch die nächste Schwierigkeit wartet schon auf die HZB-Physiker: ein Bauteil auf Graphenbasis müsste eigentlich auf einer nichtleitenden Unterlage sitzen und nicht auf dem Metall Nickel. Aber daran arbeiten sie schon.

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/aktuell/pr/pm/index_de.html
http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n11/full/ncomms2227.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Metamaterial mit Dreheffekt
24.11.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht CAU-Forschungsteam entwickelt neues Verbundmaterial aus Kohlenstoffnanoröhren
22.11.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Metamaterial mit Dreheffekt

Mit 3D-Druckern für den Mikrobereich ist es Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelungen ein Metamaterial aus würfelförmigen Bausteinen zu schaffen, das auf Druckkräfte mit einer Rotation antwortet. Üblicherweise gelingt dies nur mit Hilfe einer Übersetzung wie zum Beispiel einer Kurbelwelle. Das ausgeklügelte Design aus Streben und Ringstrukturen, sowie die zu Grunde liegende Mathematik stellen die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science vor.

„Übt man Kraft von oben auf einen Materialblock aus, dann deformiert sich dieser in unterschiedlicher Weise. Er kann sich ausbuchten, zusammenstauchen oder...

Im Focus: Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen

Hochpräzise Messung des g-Faktors elf Mal genauer als bisher – Ergebnisse zeigen große Übereinstimmung zwischen Protonen und Antiprotonen

Das magnetische Moment eines einzelnen Protons ist unvorstellbar klein, aber es kann dennoch gemessen werden. Vor über zehn Jahren wurde für diese Messung der...

Im Focus: New proton record: Researchers measure magnetic moment with greatest possible precision

High-precision measurement of the g-factor eleven times more precise than before / Results indicate a strong similarity between protons and antiprotons

The magnetic moment of an individual proton is inconceivably small, but can still be quantified. The basis for undertaking this measurement was laid over ten...

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungen

Forschungsschwerpunkt „Smarte Systeme für Mensch und Maschine“ gegründet

24.11.2017 | Veranstaltungen

Schonender Hüftgelenkersatz bei jungen Patienten - Schlüssellochchirurgie und weniger Abrieb

24.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Maschinen über die eigene Handfläche steuern: Nachwuchspreis für Medieninformatik-Student

24.11.2017 | Förderungen Preise

Treibjagd in der Petrischale

24.11.2017 | Biowissenschaften Chemie