Halbleiterforschung

In Graphen-Nanobändern verhalten sich Elektronen wie Licht

| Autor / Redakteur: Peter Koller / Nico Litzel

Beobachtet das Verhalten von Elektronen in Graphen-Nanobändchen: Professor Walt De Heer
Beobachtet das Verhalten von Elektronen in Graphen-Nanobändchen: Professor Walt De Heer (Bild: Rob Felt)

Einer internationalen Forschergruppe ist es gelungen, die faszinierenden Eigenschaften von Graphen durch dessen Anordnung in Nanobändern noch zu steigern, wodurch sich Elektronen dort wie Lichtteilchen verhalten.

Graphen – eine einzige, Bienenwaben-förmige Schicht Kohlenstoff – gilt wegen seiner enormen Ladungsträgerbeweglichkeit als aussichtsreicher Nachfolger für Siliziumbasierte Halbleiter. Graphen fehlt aber eine schmale Bandlücke, wie sie etwa beim Silizium vorhanden ist und dem Material seine halbleitenden Eigenschaften gibt. Die Bandlücke ist der Abstand zwischen zwei Energie-Niveaus – dem Valenz- und dem Leitungsband – zwischen denen Elektronen hin- und herspringen können. Der Abstand der Bänder definiert, ob es sich bei dem Material um einen Leiter, einen Halb- oder einen Nicht-Leiter handelt.

Die schematische Zeichnung zeigt die Graphen-Nanobänder (schwarze Atome), die epitaxial auf geätzten Stufen des Siliziumkarbid-Wafers (gelbe Atome) gezüchtet wurden. In den Bändern bewegen sich die Elektronen (blau) nahezu Widerstandslos und können über Metallbrücken in andere Bänder wechseln.
Die schematische Zeichnung zeigt die Graphen-Nanobänder (schwarze Atome), die epitaxial auf geätzten Stufen des Siliziumkarbid-Wafers (gelbe Atome) gezüchtet wurden. In den Bändern bewegen sich die Elektronen (blau) nahezu Widerstandslos und können über Metallbrücken in andere Bänder wechseln. (Bild: John Hankinson)

Eine Forschergruppe um Professor Walt de Heer vom Georgia Institute of Technology, zu der auch Experten von der Leibniz Universität Hannover gehören, glaubt nun einen Weg gefunden zu haben, dieses Problem zum umgehen. Bei ihren Experimenten haben sie festgestellt, dass Graphen, wenn es in Form von winzigen, 40 Nanometer breiten Bändern angeordnet ist, noch faszinierendere Eigenschaften zeigt als in seiner herkömmlichen flächigen Form. Sie beobachten, dass sich Elektronen an den Kanten dieser Nanobänder Verhalten wie Photonen in einer optischen Faser. Sie bewegen sich praktisch ohne Streuung in einer Weise, die die Forscher „ballistischer Transport“ nennen. Das Graphen zeigt dabei einen extrem geringen Widerstand, der noch um den Faktor Zehn unter dem liegt, was theoretisch bisher für dieses Material für möglich gehalten wurde und der unabhängig von Temperatur und Stromstärke ist.

Die Graphen-Nanobänder wurden mit einem expitaxialen Verfahren auf einem Siliziumkarbid-Wafer erzeugt. In den Wafer wurden zunächst mit Standard-Verfahren Stufen-artige Strukturen geätzt. Bei der Erhitzung des Wafers auf etwa 1.000 Grad Celsius wandern Kohlenstoffatome an die Oberfläche und bilden dort die Graphen-Strukturen.

„Es sieht so aus, als würden sich die Elektronen an den Kanten der Nanobänder praktisch ohne Widerstand bewegen“, so Professor De Heer, der einräumt, dass das Verhalten theoretisch noch nicht vollständig erklärt werden kann.

Er ist aber zuversichtlich, dass sich auf Basis dieses Materials neuartige elektronische Bauteile realisieren lassen. „Wir sollten damit aufhören, mit Graphen Silizium-basierte Bauelemente nachahmen zu wollen und lieber die einzigartigen Eigenschaften des Materials für neue Herangehensweisen nutzen“, fordert De Heer. Er denkt dabei etwa an Schalter auf Basis der Graphen-Nanobänder: „Wir sind bereits in der Lage, den praktisch widerstandlosen Elektronenfluss in dem Material zu steuern und ein- und auszuschalten.“

Ihre Erkenntnisse haben die Forscher in dem Aufsatz Exceptional ballistic transport in epitaxial graphene nanoribbons zusammengefasst, dessen Hauptautor Jens Baringhaus vom Institut für Festkörperphysik der Leibniz Universität Hannover ist.

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