Doorbraak brengt toepassing van grafeen in elektronica dichterbij

Grafeen wordt wel een ‘wondermateriaal’ genoemd, de bijzondere koolstofverbinding belooft snellere computers, betere sensoren en nog veel meer. Maar het lukt nog niet goed om grafeen van goede kwaliteit te produceren op industriële schaal. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben mogelijk een doorbraak bereikt. Hun resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters.

Grafeen is een bijzonder materiaal waarvan de kristallen slechts één atoom dik zijn. Elektronen vliegen er bijna zonder weerstand doorheen en het materiaal is sterker dan metaal maar toch flexibel. De ontdekkers van grafeen, Andre Geim en Konstantin Novoselov, maakten hun eerste monsters door grafiet af te pellen met behulp van plakband, net zolang totdat ze één enkele laag koolstofatomen over hadden. Ze wonnen er in 2010 de Nobelprijs voor Natuurkunde mee.

Schaalbare productie

‘De uitdaging is om een substraat te vinden dat grafeen met de juiste eigenschappen oplevert en schaalbare productie toestaat’, zegt Stefano Gottardi, promovendus bij het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG. Een goede kandidaat voor die methode is chemical vapour deposition Daarbij wordt met hitte koolstof uit bijvoorbeeld methaan verdampt, waarna het reageert met een katalytisch substraat en daarop grafeen vormt. Doorgaans gebruikt men een overgangsmetaal als substraat. Een probleem daarbij is dat dit metaal een interactie met het grafeen aangaat en de bijzondere eigenschappen kan veranderen of zelfs verslechteren.

Koperfolie

Om de eigenschappen te herstellen is het daarom nodig het grafeen over te brengen op een neutrale drager, maar het overzetten van zo’n dunne laag is moeilijk en kan op zijn beurt weer beschadigingen veroorzaken. Dus werken veel wetenschappers aan de verbetering van de productie van grafeen met behulp van overgangsmetalen, waarbij ze meestal koperfolie als substraat gebruiken.

‘We zagen iets vreemds’

Binnen de afdeling Oppervlakten en Dunne Films van Gottardi’s begeleiders Meike Stöhr en Petra Rudolf gebeurde dit ook. ‘Toen we op een keer een monster met grafeen op koper analyseerden zagen we iets vreemds’, vertelt Stöhr. De metingen suggereerden dat behalve koper ook koperoxide aanwezig was. En er leek een laagje grafeen op het koperoxide te zijn gevormd. Omdat een geoxideerd metaal de eigenschappen van grafeen niet zou moeten beïnvloeden, was dit een belangrijke observatie.

Grafeen op koperoxide

De Groningse onderzoekers besloten in detail uit te zoeken wat er met het monster aan de hand was. Dat was drie jaar geleden. Sindsdien zijn Gottardi en zijn collega’s er in geslaagd om met succes grafeen te laten groeien op koperoxide. Dit resultaat en een nauwkeurige analyse van de eigenschappen van grafeen op het oxide zijn nu gepubliceerd op de website van het tijdschrift Nano Letters. Daar beschrijft het team dat het grafeen op koperoxide volledig ontkoppeld is, wat betekent dat de bijzondere elektronische eigenschappen nog helemaal intact zijn.

Commercieel interessant

Dit resultaat kan verstrekkende gevolgen hebben. Stöhr: ‘Andere laboratoria moeten onze bevindingen nog wel reproduceren en er zal nog een flinke inspanning nodig zijn om de groeicondities van het grafeen te verbeteren.’ Maar in principe zou het mogelijk moeten zijn om grote kristallen grafeen die bestaan uit één enkel domein te laten groeien op koperoxide. Als dit inderdaad zo is, is het ook mogelijk om met lithografische technieken allerlei elektronische schakelingen te maken van het grafeen op een manier die commercieel zeer interessant is. Zo zou een onverwachte observatie drie jaar later een nieuw tijdperk van grafeen-elektronica kunnen inleiden.

Noot voor de redactie

-         Het artikel van Gottardi et al. staat als preprint online:
Stefano Gottardi ^{* †}, Kathrin Müller ^†, Luca Bignardi ^†, Juan Carlos Moreno-López ^†, Tuan Anh Pham ^†, Oleksii Ivashenko ^†, Mikhail Yablonskikh ^‡, Alexei Barinov ^‡, Jonas Björk ^§, Petra Rudolf ^†, and Meike Stöhr ^{* †} Comparing Graphene Growth on Cu(111) versus Oxidized Cu(111) Nano Letters DOI : 10.1021/nl5036463
^† Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG Groningen, The Netherlands
^‡ Sincrotrone Trieste s.c.p.a., 34149 Basovizza, Trieste, Italy
^§ Department of Physics, Chemistry and Biology, IFM, Linköping University, 58183 Linköping, Sweden
-         Contact: Stefano Gottardi of dr. Meike Stöhr , Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM), afdeling Oppervlakken en Dunne Lagen .