Schmale Bänder, Faltengebirge und der Weg zur Massenfertigung

Die Entdecker von Graphen wurden bereits mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, doch die Massenfertigung von Halbleiterelementen aus dem Kohlenstoff-Wabengitter ist noch nicht in Sicht. Denn die dafür nötige Bandlücke können die Forscher dem Wundermaterial nur verpassen, wenn sie lernen, es auf wenige Nanometer genau zu strukturieren.

Fast sieben Jahre ist es her, dass Konstantin Novoselov und Andre Geim isolierte einzelne Graphitlagen nachweisen konnten, die man Graphen nennt – mit der Betonung auf der zweiten Silbe [1]. Nach Meinung Vieler erhielten sie den Nobelpreis für ihre Entdeckung, dass solche Kohlenstoff-Wabengitter einzeln existieren können, sehr früh, doch war wahrscheinlich die offene Art, mit der sie anfangs ihr Wissen mit anderen Teams teilten, mit ausschlaggebend für die Verleihung. So entstand rasch ein boomendes neues Forschungsgebiet rund um das vermutete Wundermaterial Graphen. Vieles davon ist Grundlagenforschung: Physiker sind fasziniert von den bizarren Effekten, die mit pseudorelativistischen Elektronen und einem ungewöhnlichen Quanten-Hall-Effekt einhergehen, die beide das physikalische Geschehen in Graphen prägen.

Das Bild der Elektronenwolke im Graphen-Gebirge zeigt faltige Regionen rot und ebene grün an – eintöniges Grün wäre ideal für den schnellen Elektronentransport. Doch auch handfeste Anwendungen scheinen nicht mehr fern, denn Graphen hat gegenüber Metallen und Halbleitern einen großen Vorteil: Ladungsträger werden in ganz planem und fehlerfreiem Graphen kaum gestreut. Sie haben quasi ungestörte Flugbahnen, deshalb spricht man von ballistischem Transport. Graphen leitet dadurch elektrischen Strom ausgezeichnet und ist außerdem transparent, sehr reißfest und flexibel. Es könnte beispielsweise für großflächige durchsichtige Elektroden in Bildschirmen oder Solaranlagen verwendet werden und dort Indiumzinnoxid ersetzen, das wegen sich verknappender Indiumvorräte immer teurer wird.

Hügellandschaften

Für solche Anwendungen müssen Graphenfilme oft von einem auf ein anderes Substrat transferiert werden. Sie sollten dann möglichst glatt und faltenfrei aufliegen, doch Graphen neigt dazu, wellige Hügellandschaften auszubilden, die sich mangels Werkzeug nicht einfach glatt ziehen lassen wie ein Seidentuch.

Die gepunkteten Linien umranden Hänge des Gebirges mit verschiedenen Neigungen. Die Pfeile stehen für das Röntgenlicht, das die Elektronenwolken dort sichtbar macht. Falten wirken sich leider negativ auf das Fortkommen der freien Ladungsträger aus – mit dem ballistischen Transport ist es vorbei, wenn Verwerfungen und Fremdatome ins Spiel kommen. Wie diese die Elektronenwolke auf Graphen verändern, haben kürzlich Wissenschaftler der University at Buffalo, des National Institute of Standards and Technology (NIST) sowie des Lawrence Berkeley National Laboratory experimentell untersucht [2].

Mikroskopische und spektrografische Verfahren zeigten im weichen Röntgenlicht einer Synchrotronanlage auf, wie die Elektronenwolke durch Auffalten der Graphenlage eingedrückt wird wie ein weiches Kissen. Dadurch bildeten sich Flaschenhälse für den Transport der Elektronen. Das Team untersuchte auch auffällige kleinräumige Verzerrungen. Hinter diesen steckten Verunreinigungen, wie die Absorptionsspektroskopie zeigte. Bei der Herstellung waren Fremdatome auf den Graphenfilm geraten und verursachten quasi Dellen. Erhitzten die Forscher die Probe auf 150 °C, so verschwanden sowohl die Fremdatome als auch die Dellen. Das zeigt, dass sich die Atome nur an den Film angelagert und sich nicht mit ihm chemisch verbunden hatten.

Der steinige Weg …

Will man auf Basis von Graphen elektronische Schaltungen im Nanomaßstab umsetzen, so reicht es nicht, es einigermaßen sauber auf eine Unterlage aufzubringen. Dazu braucht man Strukturen aus Graphen in möglichst fehlerfreien einzelnen Lagen oder Doppellagen. 30 Zoll lange Streifen aus vierlagigem Graphen konnte eine Gruppe koreanischer, chinesischer und japanischer Forscher bereits im vergangenen Jahr herstellen. Sie erhielt damit ausgezeichnete durchsichtige und sogar flexible Elektroden, mit denen sie einen Touchscreen bauen konnte [3]. Für elektronische Schaltungen aus Graphen wären diese Filme allerdings nicht geeignet.

Schicht für Schicht kann man mehrlagiges Graphen strukturieren, wenn man zunächst über eine Schablone eine Zinkschicht aufbringt und diese dann mit Salzsäure wieder entfernt. Dabei wird genau eine Lage Graphen mit abgeschält. Eine Einzellage Graphen ist (semi-)metallisch, aber kein Halbleiter. Es fehlt ihr die elektronische Bandlücke zwischen sogenanntem Valenzband und Leitungsband, die für das Schalten in Halbleiterelementen unentbehrlich ist: Indem man den Elektronen und Löchern durch Dotierungen und elektrische Felder dabei hilft oder sie daran hindert, vom Valenzband ins Leitungsband zu gelangen, wird die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters entweder auf „hoch“ oder auf „niedrig“ geschaltet. Eine Möglichkeit, zu einer solchen Bandlücke zu kommen, ist, nanometerschmale Bänder aus Einzellagen Graphen zu fabrizieren. Die Breite des Bandes sowie die Form des Randes bestimmen die Größe der Lücke. Um solche Nanobänder zu erzeugen, haben Forscher bereits Kohlenstoff-Nanoröhren aufgeschnitten [4] oder oberflächenchemische Verfahren eingesetzt [5]. Die zweite Möglichkeit bieten Graphen-Doppellagen in einer bestimmten Stapelung. Die Bandlücke zeigt sich in diesem Fall, wenn senkrecht zur Ebene ein elektrisches Feld angelegt wird, durch das sie sogar steuerbar ist.

Allerdings müsste man Einzel- und Doppellagen in bestimmten Formen und Abfolgen auf einem Substrat strukturieren können, um ihre Vorzüge in einem Bauelement zu vereinen. Insbesondere hofft man auf Graphen-Transistoren für eine ultraschnelle Elektronik in Mobilgeräten, die mit Taktraten von 500 Gigahertz bis zu einem Terahertz betrieben werden könnte. Es gibt bereits Prototypen, die bis zu 300 Gigahertz erreichen.

… zu halbleitendem Graphen

Ein wichtiger Schritt zur routinierten massenhaften Strukturierung solcher Bauteile ist Forschern von der Rice University in Houston im vergangenen März geglückt [6]. Sie brachten auf einen mehrlagigen Graphenfilm über eine Maske eine dünne Lage Zink auf. Anschließend löste verdünnte Salzsäure die Zinkschicht wieder und schälte außerdem unter dem Zink genau eine Graphenlage mit ab.

Warum das funktioniert, müssen die Forscher erst noch herausfinden, aber im Versuch ließ sich das Verfahren wiederholt anwenden. Es funktionierte sogar, wenn die Zinkbeschichtung die oberste Graphenlage beschädigt hatte, und auch Graphen-Abkömmlinge wie beispielsweise Graphenoxid ließen sich so lagenweise abnehmen. Damit scheint das Verfahren ein robustes Werkzeug zur Strukturierung zu sein. Grundlegende Eigenschaften wie sein räumliches Auflösungsvermögen müssen aber noch ausgelotet werden. (pek)

Literatur

[1] Dr. Veronika Winkler, Transistoren aus Graphitfilmen, c’t 23/04, S. 52

[2] Brian J. Schultz et al., Imaging local electronic corrugations and doped regions in graphene, Nature Communications, Bd. 2, Artikelnr. 372

[3] Sukang Bae et al., Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes, Nature Nanotechnology Bd. 5, S. 574

[4] Dr. Veronika Winkler, Nanobänder für eine Kohlenstoffelektronik, c’t 11/09, S. 40

[5] Jinming Cai et al., Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons, Nature Bd. 466, S. 470 (2010)

[6] Ayrat Dimiev, Layer-by-Layer Removal of Graphene for Device Patterning, Science, Bd. 331, S. 1168