Eerste metingen onthullen intrigerende eigenschappen van germaneen

Germaneen is een tweedimensionale vorm van germanium en lijkt op grafeen. Het is alleen niet stabiel buiten de vacuümkamers waarin het wordt gemaakt, zodat het tot nu toe niet mogelijk was de elektronische eigenschappen te meten. Nu heeft een groep wetenschappers onder leiding van RUG-hoogleraar Justin Ye een manier gevonden om een stabiele meetopstelling met germaneen te maken. Het materiaal is isolerend, maar verandert door matige verhitting in een halfgeleider, terwijl sterker verhitten een goede metallische geleider oplevert. De resultaten zijn op 24 januari gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters.

Er is grote belangstelling voor 2D-materialen, die maar één atoomlaag dik zijn, bijvoorbeeld voor het maken van nieuwe micro-elektronica. Grafeen, een zeer goede geleider, is het bekendste voorbeeld. Maar 2D materialen van silicium en germanium zouden ook interessant kunnen zijn, omdat deze elementen via standaardmethoden zijn te verwerken en bovendien naadloos passen in bestaande halfgeleidertechnologie.

Instabiel

‘Alleen is de 2D versie van germanium, die germaneen heet, zeer instabiel’, vertelt Justin Ye, adjunct-hoogleraar Device Physics aan de RUG. Germaneen ontstaat door calcium aan germanium toe te voegen. De calciumionen zorgen dat er 2D laagjes ontstaan in 3D kristallen. Door het calcium vervolgens te vervangen door waterstof ontstaan 2D lagen die germanaan heten. Na verwijdering van de waterstof ontstaat het – instabiele – germaneen.

Ye en zijn collega’s hebben dit laatste probleem op een verrassend eenvoudige manier opgelost. Zij maakten een opstelling met het stabiele germanaan, waarna ze het materiaal verhitten om de waterstof te verwijderen. Het resultaat was een stabiele opstelling met germaneen, waarin de elektronische eigenschappen waren te meten.

‘Het materiaal begon als een isolator’, zegt Ye. Een promovendus uit zijn groep verhitte het germaneen, een bekende manier om de geleiding te verbeteren. Hij zag dat het materiaal daarna zeer goed geleidend was, met een weerstand die slechts tien keer hoger was dan die van grafeen. ‘Het is daarmee een zeer goede metallische geleider.’ Verdere experimenten lieten zien dat een matige verhitting (tot ongeveer 200 graden Celsius) een halfgeleidende vorm van germaneen oplevert.

Waterstof

Germaneen kan dus een isolator, een halfgeleider of een metallische geleider zijn, afhankelijk van de hittebehandeling. Het materiaal blijft na afkoelen stabiel. De verhitting zorgt ervoor dat schilfers germaneen dunner worden, wat bevestigd dat het verdwijnen van waterstof uit het materiaal naar alle waarschijnlijkheid zorgt voor de verandering in geleiding.

Germaneen zou interessant kunnen zijn voor het bouwen van spintronica. Dit is een vorm van elektronica die werkt met spinstromen. De spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, die je voor kunt stellen als de tolbeweging van elektronen rond hun as, waardoor ze een soort kleine kompasnaaldjes worden. Grafeen is een uitstekende geleider van elektronenspins, maar het is heel lastig om de richting van de spin in dit materiaal te beïnvloeden. Dit komt door de zeer zwakke wisselwerking tussen elektronen en de lichte koolstofatomen (de zogeheten spin-baan koppeling).

Spintronica

‘Germanium atomen zijn zwaarder, wat zorgt voor een sterkere spin-baan koppeling’, legt Ye uit. Dat maakt het mogelijk de spinrichting beter te controleren in dit materiaal. Dat Ye nu in staat is om metallisch germaneen te maken met zowel een prima geleiding als een sterke spin-baan koppeling maakt het daarom mogelijk om allerlei spintronica te bouwen.

Referentie: Qihong Chen, Lei Liang, Georgia Potsi, Puhua Wan, Jianming Lu, Theodosis Giousis, Eleni Thomou, Dimitrios Gournis, Petra Rudolf, and Jianting Ye: Highly conductive metallic state and strong spin-orbit interaction in annealed germanane. NANO Letters 24 january 2019.