Tweet

Nederlandse dubbeldoorbraak in grafeenonderzoek /reageer

Grafiet is een doodnormaal materiaal, bekend als het stofje waarvan potloden worden gemaakt. Grafiet bestaat uit laagjes koostofatomen, die in een honingraatstructuur met elkaar zijn verbonden. Doordat deze laagjes gemakkelijk over elkaar heen schuiven kunnen we ze zonder veel moeite van elkaar scheiden, bijvoorbeeld door met een potlood te krassen op papier. Het grafiet dat op het papier achterblijft is in de regel enkele tientallen tot duizenden laagjes dik.

Grafeen is de speciale naam voor grafiet van één enkele laag dik. Grafeen beschikt over wonderbaarlijke elektrische eigenschappen, doordat elektronen zich in de specifieke koolstofstructuur gedragen alsof ze massaloos zijn. Dat leidt tot allerlei relativistische effecten, bijvoorbeeld een constante snelheid van elektronen, net als licht. Grafeen is zeer geschikt voor onderzoek naar allerlei quantumfysische effecten. Toen men er in 2004 in Manchester voor het eerst in slaagden grafeen te produceren, kwam er dan ook een stroom publicaties over het onderwerp op gang. Deze stroom is gisteren uitgebreid met twee artikelen van Nederlandse onderzoekers in het gezaghebbende tijdschrift Nature.

1 | Supergeleiding ontmoet relativiteitsleer

Het eerste artikel komt van het Kavli Instituut voor Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en de Stichting FOM. Zij hebben voor het eerst supergeleiding waargenomen in grafeen. Tevens werkt hun device, bestaand uit grafeen verbonden met supergeleiders, als een bipolaire transistor voor supergeleidende stromen.

Relativistische Josephson-effect

Hubert Heersche, Pablo Jarillo-Herrero en hun collega’s hebben grafeen gekoppeld aan een supergeleider. In een supergeleider verdwijnt de elektrische weerstand bij lage temperaturen volledig. Dit betekent dat een elektrische stroom kan blijven lopen zonder dat er een spanning wordt aangelegd. Wanneer grafeen, dat zelf geen supergeleidende eigenschappen heeft, gekoppeld wordt aan een supergeleider, kan het zich toch als een supergeleider gedragen. Dit effect is al in vele andere niet supergeleidende materialen aangetoond, en staat bekend als het Josephson-effect. De Delftse onderzoekers hebben nu aangetoond dat ook massaloze elektronen voor een superstroom kunnen zorgen, en daarmee voor het eerst het relativistische Josephson-effect gemeten.

Superstroom-transistor

De onderzoekers hebben ook laten zien dat grafeen kan dienen als superstroom-transistor. Een transistor is een elektronische component waarin de stroom geregeld kan worden door een spanning op een zogenaamde ‘gate’-elektrode. Analoog hebben Heersche en collega’s een device gemaakt waarin de superstroom regelbaar is met een spanning: een superstroom-transistor.

Een conventionele transistor is gemaakt van een halfgeleider. Grafeen is echter geen halfgeleider, maar een halfmetaal. Dit betekent dat niet alleen de grootte van de superstroom geregeld kan worden, maar ook het soort ladingsdragers. Dit kunnen elektronen zijn (met een negatieve lading) of gaten (met een positieve lading). Het Delftse team heeft daarmee voor het eerst een bipolaire superstroom-transistor gemaakt.

Koolstof elektronica

Het werk waarover de onderzoekers nu publiceren is onderdeel van een project waarin het Delftse team de elektrische eigenschappen van grafeen onderzoekt. Wereldwijd wordt er veel onderzoek gedaan naar grafeen omdat verwacht wordt dat het een belangrijke rol kan spelen in de elektronica van de toekomst. Ook grote bedrijven zijn geïnteresseerd in koolstof elektronica. Dit komt doordat grafeen in een aantal opzichten superieure eigenschappen heeft in vergelijking met conventionele materialen zoals silicium.

2 | Het dunst mogelijke materiaal

Het tweede artikel is van de hand van onderzoekers van het Institute for Molecules and Materials uit Nijmegen, het Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart en de University of Manchester. Zij zijn erin geslaagd een vrij opgehangen laagje grafeen te maken. Tot nog toe werd het alleen gefabriceerd liggend op een ondergrond van een ander materiaal. Veel tekstboeken zeggen dat een laag van één atoom dik niet vrij kan bestaan. De onderzoekers hebben deze bewering nu ontkracht en bovendien kunnen ze verklaren waarom zo’n dunne laag wel stabiel is.

Afpelllen

Grafeen wordt normaal gesproken gemaakt door een koolstofkristal op een plaatje silicium af te pellen tot er slechts één atoomlaagje over is. De experimenteel natuurkundigen onder leiding van dr. Jannik Meyer en prof.dr. Andre Geim gebruiken echter een techniek die ook wordt gebruikt in de microchipfabricage. Het team plaatste een gouden houdertje boven een grafeenkristal op een siliciumondergrond. Deze ondergrond werd vervolgens met behulp van zuren opgelost. Het grafeen bleef vrij hangen aan het goud.

Goed in tact

Het grafeenmembraan is het dunst mogelijke materiaal en blijft opmerkelijk goed in tact. De onderzoekers vonden ook een verklaring voor deze stabiliteit: het is niet volkomen plat maar het golft licht. Dat zorgt voor een stabiele verdeling van optredende krachten. De theorie voorspelt trouwens dat laagjes van één atoom dik - door natuurkundigen tweedimensionale kristallen genoemd - nooit vlak zullen zijn, maar zich spontaan krommen en daardoor een geplooid aanzien krijgen. De onderzoekers hebben dat nu experimenteel bevestigd.

Ze denken dat membranen zoals deze in de verdere toekomst als gasfilter kunnen worden gebruikt, of voor ultrasnelle elektro-mechanische schakelingen. Voor de nabije toekomst moet grafeen geschikt zijn om als onzichtbare ondersteuning te dienen bij het bekijken van complexe, bioactieve moleculen onder een elektronenmicroscoop. “We laten nu zien dat het in principe kan,” zegt Geim. “Met bestaande technologie kunnen we nu echte dingen gaan maken. De uitdaging is om zo’n atoomgaas goedkoop en op grote schaal te gaan produceren.”