Onderzoekers manipuleren band gap van grafeen met behulp van druk

"Grafeen is de beste elektrische geleider die we op aarde kennen", legt Matthew Yankowitz van de faculteit Natuurkunde van de Amerikaanse Columbia University uit. "Het probleem is echter dat het elektriciteit te goed geleidt en we niet weten hoe we dit effectief moeten stoppen. Ons werk maakt voor het eerst de weg vrij in het realiseren van een technologisch relevant 'band gap' in grafeen, zonder hierbij in te leveren op kwaliteit. Indien toegepast op andere interessante combinaties van 2D-materialen kan de techniek die wij hebben gebruikt leiden tot nieuwe fenomenen, zoals magnetisme, supergeleiding en meer." 

Grafeen is een materiaal dat veel aandacht krijgt in de wetenschappelijk wereld. Zo is grafeen het sterkste en dunste materiaal dat we kennen. Daarnaast heeft het materiaal een zeer hoge geleidbaarheid, wat te danken is aan de unieke rangschikking van koolstofatomen in grafeen. Deze rangschikking maakt het zeer eenvoudig voor elektronen om met extreem hoge snelheden te reizen zonder dat hierbij het risico ontstaat op verstrooiing, waardoor waardevolle energie te besparen die bij veel andere geleiders verloren gaat.

Dit proces stoppen is echter niet eenvoudig en was tot nu toe niet mogelijk zonder gunstige eigenschappen van grafeen aan te tasten. "Een van de grootste doelen van grafeen onderzoek is het vinden van een wijze om alle goede eigenschappen van grafeen te behouden en tegelijkertijd een band gap te creëren - een elektrische aan-uit schakelaar", aldus Cory Dean, assistent-hoogleraar Natuurkunde bij de Columbia University en betrokken bij het onderzoek. 

Nu zijn de onderzoekers hier dus wel in geslaagd. Zij hebben een laag grafeen tussen twee lagen boornitride geplaatst, wat een atomisch-dunne elektrische isolator is. De elektronische structuur van grafeen blijkt hierdoor te worden aangepast, waardoor een band gap ontstaat dat materiaal zich laat gedragen als een halfgeleider. Dit betekent in de praktijk dat grafeen zowel als een elektrische geleider als een isolator kan dienen. 

De band gap die met deze methode wordt gecreëerd is echter beperkt en niet groot genoeg om effectief te worden ingezet voor apparaten met elektrische transistors die op kamertemperatuur opereren. Om de band gap te vergroten hebben de onderzoekers van de Columbia University de lagen boornitride en grafeen samengeperst. De band gap wordt hierdoor groter, waardoor de stroming van elektriciteit door het grafeen effectiever wordt geblokkeerd. "Naarmate we meer druk uitoefenen, neemt de band gap toe", aldus Yankowitz. "Het gat is nog steeds onvoldoende - een sterk genoeg schakelaar - voor gebruik in transistor apparaten op kamertemperatuur, maar we hebben een fundamenteel beter begrip waarom deze band gap überhaupt bestaat, hoe deze kan worden aangepast en wat we hiermee in de toekomst wellicht kunnen. Transistors zijn alomtegenwoordig in onze moderne elektrische apparaten, dus als we een manier kunnen vinden om grafeen als transistor te gebruiken kan dit een brede reeks toepassingen hebben."