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Graphen kontrolliert wachsen lassen

06.04.2009
Erste Ergebnisse einer Forschungskooperation aus Hannover und Braunschweig

Seit es im Jahr 2004 zwei Forschergruppen unabhängig voneinander geschafft haben, Graphen herzustellen und elektrisch zu vermessen, ist eine Art Goldrausch um den neuen Verwandten des Graphit entstanden.

Denn die nur aus einer Lage Atome bestehenden Kohlenstoff-Schichten haben interessante Eigenschaften. Zum Beispiel sind die Elektronen darin besonders beweglich und könnten in zukünftigen schnellen Computerchips die heute verwendeten Halbleiter-Materialien ersetzen. Doch die Forschung ist noch am Anfang. Weltweit wird intensiv nach einem kostengünstigen, gut kontrollierbaren Massenproduktionsverfahren gesucht.

Eine mögliche Methode, großflächig Graphen zu erzeugen, ist die Epitaxie, das kontrollierte Wachstum von Graphen im Vakuum. Erste Ergebnisse einer Forschungskooperation zwischen der Leibniz Universität Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) versprechen nun eine bessere Kontrolle des Wachstums einzelner Graphen-Schichten. Sie wurden jetzt in dem Fachblatt Applied Physics Letters veröffentlicht.

Nach diesen ersten Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen den Schichten zielen die folgenden Arbeiten in Hannover auf die Wechselwirkungen innerhalb der Schichten. Dann folgt der Part der PTB: dort soll der Quanten-Hall-Effekt gemessen werden, was bisher an derart selbstorganisiert gewachsenem Graphen noch nie gelungen ist.

Das Rezept lautet - etwas vereinfacht - so: Ein Stück Siliciumcarbid (im Vakuum) wird erhitzt. Ab einer bestimmten Temperatur wandern die Kohlenstoffatome an die Oberfläche und lagern sich als feine Schicht auf dem noch festen Siliciumcarbid ab. Nun wird die Probe wieder abgekühlt und es entstehen eine, zwei oder mehrere schönste Graphenschichten: Kohlenstoff in einer regelmäßigen sechsteiligen Ringstruktur, wie beim Graphit, nur hier eben zweidimensional. „Eine der interessanten Fragen, die zurzeit viele Forscher umtreibt, war für uns: Ist bereits die erste abgelagerte Schicht echtes Graphen?“ erklärt Dr. Christoph Tegenkamp, Institut für Festkörperphysik an der Leibniz Universität Hannover und Leiter des Projektes. Dr. Tegenkamp und seine Kollegen haben mit verschiedenen Methoden, darunter Rastertunnelmikroskopie, niederenergetische Elektronenbeugung (LEED) und Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS), die Wechselwirkungen zwischen dieser ersten Kohlenstoffschicht mit ihrer „Unterlage“ aus Siliciumcarbid untersucht. „Da das Graphen als zweidimensionale Schicht auf dem Siliciumcarbid-Substrat liegt, gibt es Restwechselwirkungen“, sagt Dr. Tegenkamp. „Damit wird sich diese erste Schicht elektrisch noch nicht ganz wie Graphen verhalten, ist aber dicht dran“. Jetzt warten die nächsten Schritte auf das Team: Die Wissenschaftler wollen mehr über die Wechselwirkungen innerhalb einer einzelnen Graphen-Schicht herausfinden. Damit geht das Projekt in eine noch spannendere Phase. „Für diese Untersuchungen stehen an der Leibniz Universität weltweit einzigartige Untersuchungsmethoden zur Verfügung“, erklärt Dr. Tegenkamp.

Anschließend sollen in der PTB hochpräzise elektrische Messungen des Quanten-Hall-Effekts in Graphen folgen. Der Quanten-Hall-Effekt in halbleitenden Proben wird schon seit Längerem dafür genutzt, um ein Quantennormal des elektrischen Widerstands zu realisieren, also für die Einheit Ohm. „Wir sind sehr gespannt, was wir in Graphen sehen werden“, sagt Dr. Hans Werner Schumacher, Arbeitsgruppenleiter in der PTB. Seine Kollegen und er interessieren sich vor allem für eine Besonderheit des Quanten-Hall-Effekts in Graphen: Nur in diesem Material ist er im Prinzip schon bei Zimmertemperatur zu beobachten. Im Gegensatz dazu tritt er in den bisher verwendeten halbleitenden Materialien nur dann auf, wenn die Proben auf ein paar Grad an den absoluten Nullpunkt heran, also auf unter -268 °C gekühlt werden. Graphen könnte deshalb in Zukunft als deutlich einfacheres Quanten-Widerstandsnormal genutzt werden.

Wegen dieser wichtigen metrologischen Anwendung verfolgt die PTB noch einen zweiten Ansatz rund ums Graphen: Neben Untersuchungen an „gewachsenem“ Graphen laufen zurzeit bereits elektrische Messungen an mechanisch erzeugtem Graphen, das durch Auseinanderblättern einzelner ato¬¬¬marer Graphitschichten entsteht. „Testmessungen versprechen eine interessante Bestätigung für den besonderen Quanten-Hall-Effekt“, erläutert der zuständige PTB-Wissenschaftler Franz-Josef Ahlers. Genauere Zahlen sollen in einigen Monaten folgen.

Die Originalveröffentlichung:
Graphitization process of SiC (0001) studied by electron energy loss spectroscopy. T. Langer, H. Pfnür, H.W. Schumacher, and C. Tegenkamp. Applied Physical Letters 94, 112106 (2009).

Link: http://link.aip.org/link/?APPLAB/94/112106/1

Dr. Stefanie Beier | Leibniz Universität Hannover
Weitere Informationen:
http://www.uni-hannover.de
http://link.aip.org/link/?APPLAB/94/112106/1

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