Forscher entwickeln Musterbauelemente für Schaltungen aus Graphen

Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben ein Verfahren entwickelt, um mittels einer integrierten Elektrode Bauelemente aus Graphen gezielt anzusteuern. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die industrielle Verwendung der wegen ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften als eines der vielversprechendsten neuen Materialien gehandelten Kohlenstoffmodifikation.

Graphen besteht aus einer Lage von Kohlenstoffatomen. Diese sind in einem aus Sechsecken bestehenden Netzwerk so angeordnet, dass sie einen echten zweidimensionalen Festkörper bilden. Die Entdeckung von Graphen im Jahre 2004 wurde schon 2010 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet und hat zu weltweiten Forschungsaktivitäten geführt.

Grund dafür sind die für einen Festkörper völlig neuen elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften. Diese faszinieren nicht nur Grundlagenforscher, sondern versprechen auch enormes Potenzial für industrielle Anwendungen – angefangen bei neuartigen Halbleiterbauelementen über chemische und biologische Sensoren bis zu Quantencomputern.

Ein wesentlicher Schritt, um das Potenzial von Graphen für elektronische Anwendungen zu erschließen, ist die Schichtherstellung in hoher Qualität auf kristallinen Halbleiterscheiben, so genannten Wafern. FAU-Professor Thomas Seyller hat bereits 2009 ein Verfahren entwickelt, mit dem Graphen in der erforderlichen Qualität auf Siliziumkarbid-Kristallen synthetisiert werden kann.

Der nächste wichtige Schritt ist es, ausgehend von Graphen-Wafern Bauelemente herzustellen. Insbesondere gilt es, die Graphenschichten für elektronische Anwendungen ansteuerbar zu machen. Da Siliziumkarbid ein Halbleiter ist, lässt es sich durch geschickte Manipulation als integrierte Ansteuerelektrode verwenden. Das ist FAU-Professor Heiko Weber und seinem Team gelungen.

Die FAU-Forscher haben nicht nur Musterbauelemente hergestellt, sondern konnten auch die physikalischen Effekte detailliert erklären, die bei Verwendung einer solchen Elektrode auftreten können. Mit diesem Wissen ist es ihrer Ansicht nach nun möglich, bestmöglich integrierte Elektroden für Graphen für unterschiedliche Anwendungsbereiche maßzuschneidern.

Graphen, ein zweidimensionales Bienenwabengitter aus Kohlenstoffatomen, wird auf einen Siliziumkarbid-Kristall (grau) synthetisiert. Durch gezielte Manipulation der Kristalleigenschaften lässt sich im Siliziumkarbid eine Ansteuerelektrode (blau) erzeugen. Mit dieser ist über Kontakte aus Gold der Stromfluss durch die Graphenschicht steuerbar (Grafik: J. Jobst, J. Lottes, M. Krieger).

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