Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schmale Nanobänder für Graphen-Transistoren

22.07.2010
In der «Nature»-Ausgabe vom 22. Juli 2010 berichten Forscher der Empa und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung, wie es ihnen erstmals gelungen ist, mit einer einfachen chemischen Methode wenige Nanometer breite Bänder aus Graphen auf Oberflächen wachsen zu lassen. Graphenbänder gelten als «heisse Kandidaten» für künftige Elektronikanwendungen, da sich – je nach Breite und Randform – ihre Eigenschaften einstellen lassen.

Transistoren auf Graphenbasis gelten als mögliche Nachfolger für die heute gebräuchlichen Bauteile aus Silizium. Bestehend aus zweidimensionalen Kohlenstoffschichten besitzt Graphen etliche herausragende Eigenschaften: Es ist nicht nur härter als Diamant, extrem reissfest und undurchlässig für Gase, sondern auch ein ausgezeichneter elektrischer und thermischer Leiter.

Weil Graphen allerdings ein Halbmetall ist, besitzt es – im Gegensatz zu Silizium – keine elektronische Bandlücke und somit keine Schalteigenschaften – DIE Hauptvoraussetzung für Elektronik-Anwendungen. Forscher der Empa und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz sowie der ETH Zürich und der Universitäten Zürich und Bern entwickelten deshalb ein neues Verfahren, um Graphenbänder mit Bandlücken herzuzustellen.

Graphenbänder im Nanometermassstab

Bis anhin wurden Bänder aus grösseren Graphenschichten «geschnitten», etwa so wie Tagliatelle aus einem Pastateig. Oder Kohlenstoffnanoröhrchen wurden der Länge nach aufgetrennt. In den Bändern entsteht dadurch über einen quantenmechanischen Effekt eine Bandlücke – ein Energiebereich, in dem sich keine Elektronen befinden können und der die physikalischen Eigenschaften wie etwa die Schaltfähigkeit bestimmt. Breite (und Randform) des Graphenbandes bestimmen die Grösse der Bandlücke und beeinflussen dadurch die Eigenschaften eines daraus konstruierten Bauteils.

Falls sich Graphenbänder nun extrem schmal – deutlich unter zehn Nanometer – und noch dazu mit wohl definierten Rändern herstellen liessen, so die Idee, dann könnten daraus Bauteile mit massgeschneiderten optischen und elektronischen Eigenschaften resultieren: Je nach Bedarf kann über die Manipulation der Bandlücke die Schalteigenschaft eines Transistors eingestellt werden. Alles andere als trivial, denn die bis jetzt dafür verwendeten lithografische Methoden, etwa zum Schneiden, stossen hier an fundamentale Grenzen; sie liefern zu breite Bänder mit diffusen Rändern.

Graphenbänder wachsen lassen

In der «Nature»-Ausgabe vom 22. Juli 2010 beschreiben die Forscher um Roman Fasel, Senior Scientist an der Empa und Professor für Chemie und Biochemie an der Universität Bern, und Klaus Müllen, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, eine einfache oberflächenchemische Methode, mit der sich derart schmale Bänder ganz ohne zu schneiden herstellen lassen – also «bottom-up», aus den Grundbausteinen. Dazu brachten sie unter Ultrahochvakuumbedingungen auf Gold- oder Silberoberflächen spezielle, an «strategisch» wichtigen Positionen halogensubstituierte Monomere auf, die sich in einem ersten Reaktionsschritt zu Polyphenylenketten verbanden.

In einem zweiten, durch stärkeres Erhitzen eingeleiteten Reaktionsschritt, in dem Wasserstoffatome entzogen wurden, koppelten die Ketten zu einem planaren, aromatischen Graphensystem. So entstanden atomar dünne Graphenbänder von einem Nanometer Breite und einer Länge bis zu 50 Nanometer. Damit sind die Graphenbänder so schmal, dass sie eine elektronische Bandlücke aufweisen und nun wie Silizium Schalteigenschaften besitzen – ein erster, wichtiger Schritt für den Wechsel von der Silizium-Mikro- zur Graphen-Nano-Elektronik. Doch damit nicht genug: Je nachdem, welche Monomere die Forscher verwendeten, bildeten sich Graphenbänder mit unterschiedlicher räumlicher Struktur – entweder gradlinige oder zickzackförmige.

Untersuchungen zu weiteren Eigenschaften

Da die Forscher nun Graphenbänder (fast) nach Belieben herstellen können, möchten sie als nächstes untersuchen, wie sich etwa die magnetischen Eigenschaften der Graphenbänder in Abhängigkeit von den verschiedenartigen Rändern beeinflussen lassen. Die oberflächenchemische Methode eröffnet aber auch interessante Perspektiven hinsichtlich der gezielten Dotierung von Graphenbändern: Die Verwendung von Monomerbausteinen mit Stickstoff- oder Boratomen an genau definierten Positionen oder von Monomeren mit zusätzlichen funktionellen Gruppen müsste die Herstellung positiv und negativ dotierter Graphenbänder ermöglichen. Auch eine Kombination verschiedenartiger Monomere ist möglich und könnte beispielsweise die Herstellung so genannter Heteroübergänge erlauben – Schnittstellen zwischen verschiedenartigen Graphenbändern, etwa mit kleiner und grosser Bandlücke –, die in Solarzellen oder Höchstfrequenzbauelementen zum Einsatz kommen könnten. Dass das zugrunde liegende Bauprinzip auch hierfür funktioniert, haben die Forscher bereits bewiesen: Mit zwei passenden Monomere haben sie mit einem Knotenpunkt drei Graphenbänder miteinander verknüpft.

Bis anhin konzentrierten sich die Forscher auf Graphenbänder auf Metalloberflächen. Damit die Graphenbänder allerdings für die Elektronik genutzt werden können, müssen diese auf Halbleiteroberflächen hergestellt oder Methoden entwickelt werden, um die Bänder von Metall- auf Halbleiteroberflächen zu übertragen. Und auch hierfür stimmen erste Ergebnisse die Forscher bereits zuversichtlich.

Literaturangaben
«Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons», J. Cai, P. Ruffieux, R. Jaafar, M. Bieri, T. Braun, S. Blankenburg, M. Muoth, A.P. Seitsonen, M. Saleh, X. Feng, K. Müllen, R. Fasel, Nature, 22 July 2010, Vol. 466, No. 7305, pp 470-473, doi:10.1038/nature09211
Weitere Informationen
• Prof. Dr. Roman Fasel, Empa, nanotech@surfaces, Tel. +41 44 823 43 48, roman.fasel@empa.ch

• Prof. Dr. Klaus Müllen, Max-Planck-Institut für Polymerforschung Mainz, Synthetische Chemie, Tel. +49 6131 379 151, muellen@mpip-mainz.mpg.de

Sabine Voser | idw
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Fachhochschule Südwestfalen entwickelt innovative Zinklamellenbeschichtung
13.07.2018 | Fachhochschule Südwestfalen

nachricht 3D-Druck: Stützstrukturen verhindern Schwingungen bei der Nachbearbeitung dünnwandiger Bauteile
12.07.2018 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

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

Optische Kontrolle von Herzfrequenz oder Insulinsekretion durch lichtschaltbaren Wirkstoff

17.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umweltressourcen nachhaltig nutzen

17.07.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Textilien 4.0: Smarte Kleidung und Wearables als Innovation

17.07.2018 | Innovative Produkte

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