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Graphen: ein neues Material für die Elektronik

Graphen ist ein 2-dimensionales Netz aus Kohlenstoffatomen. Die Kohlenstoffatome sind durch starke Bindungen in einer Honigwabenstruktur (Sechserringe) angeordnet. Stapelt man solche Graphen-Lagen übereinander, dann erhält man einen 3-dimensionalen Kristall, den Graphit. Graphen ist also nichts anderes als eine einzelne Graphitlage. Die quasi-1-dimensionalen Kohlenstoffnanoröhren kann man sich als aufgerolltes Graphen vorstellen. Fügt man statt der Sechserringe auch noch Fünferringe ein, dann erhält man die Fullerene. Das bekannteste Fulleren ist das Buckminsterfulleren C60 ("bucky ball"), das aussieht wie ein Fußball.

Das interessante an Graphen ist seine einzigartige elektronische Struktur. Seine elektronischen Eigenschaften sind seit langem theoretisch bekannt und dienten in der Vergangenheit häufig zur Beschreibung der elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Jüngste Fortschritte bei der Präparation von Graphen haben dazu geführt, dass die Eigenschaften von einzelnen Graphenlagen und ultradünnen Graphitschichten (sog. Few Layer Graphene, FLG) zunehmend in den Fokus intensiver Forschung rücken. Dabei gibt es für die Herstellung von Graphen unterschiedliche Ansätze, z.B. mechanische oder chemische Exfoliation von Graphit oder epitaktisches Wachstum auf Siliziumkarbid oder auf Übergangsmetallen.

Die Eigenschaften von Graphen weichen stark von denjenigen gewöhnlicher 2D-Elektronengase wie z.B. in Heterostrukturanreicherungsschichten ab. Ursache dafür ist die lineare Dispersionsrelation E(k) der Elektronen nahe des K-Punktes der hexagonalen Brillouinzone, an dem sich das bindende π-Band mit dem antibindenden π*-Band berührt. Dies führt zu einer doppel-kegelförmigen Bandstruktur. Formal entspricht dies der Dispersionsrelation ruhemasseloser Teilchen. Zusätzlich erzwingt die spezielle Symmetrie des Graphengitters mit einer zweiatomigen Basis eine zweikomponentige Wellenfunktion, wie man sie von der relativistischen Quantenmechanik her kennt. Zur Beschreibung der Ladungsträger und ihres Verhaltens muss man die Dirac-Gleichung für masselose Fermionen heranziehen. Eine Konsequenz davon ist z.B. das ungewöhnliche Landauniveau-Spektrum von Graphen, das zu einem neuen halbzahligen Quantenhalleffekt (QHE) führt. Weitere interessante Auswirkungen auf Streu- und Interferenzverhalten von Ladungsträgern (Stichwort Klein-Paradox) wurden vorhergesagt. Graphen bietet deshalb eine sehr interessante, neue Physik, die es zu untersuchen gilt.

Eine weitere Konsequenz der ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften ist eine sehr hohe Mobilität der Ladungsträger von über 10.000 cm2/Vs, in manchen Fällen sogar über 200.000 cm2/Vs. Graphen könnte deshalb ein Kandidat für schnelle elektronische Anwendungen werden. Weitere mögliche Anwendungen von Graphen sind Sensoren mit Empfindlichkeiten bis hin zur Einzelmoleküldetektion, Spintronics, oder Quantencomputing.

Mehrere Arbeitsgruppen in Erlangen beschäftigen sich mittlerweile mit diesem interessanten Material. Fragestellungen, die dabei bearbeitet werden, sind die Herstellung von Graphen, seine elektronischen Eigenschaften, die gezielte Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften (z.B. Dotierung, Generation von Bandlücken), Strukturierung und Herstellung von Bauelementen.

Graphen = 1 Lage Graphit

Honigwabenstruktur von Graphen. Graphen kann zu Graphit gestapelt und zu Kohlenstoffnanoröhren gerollt werden. Die Fullerene benötigen Fünferringe.

Bandstruktur von Graphen

Bandstruktur von Graphen. Gezeigt sind nur die π-Bänder, die für den Ladungstransport wichtig sind. Im Gegensatz zu Halbleitern, die eine parabolische Dispersionsrelation haben, ist bei Graphen die Energie der Elektronen nahe der Fermikante eine lineare Funktion des Wellenvektors.





Seite erstellt durch: Priv. Doz. Dr. Thomas Seyller
Letzte änderung: 28.06.2011 10:28