Universität Wien Neue Erkenntnisse über Wunderstoff Graphen

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Die Wechselwirkungen von Graphen und seiner Umgebung haben maßgeblichen Einfluss auf die Anwendbarkeit dieses vielversprechenden Materials in der Halbleiterindustrie und werden nun dank der umfassenden Ergebnisse eines internationalen Forschungsprojekts besser verstanden und damit kontrollierbar.

Graphen ist eine einlagige Kohlenstoffschicht. Das Potenzial dieses mit einmaligen strukturellen und elektronischen Eigenschaften ausgerüsteten Wundermaterials ist enorm und wurde bereits viel gepriesen – an den konkreten Umsetzungen und Anwendungen fehlt es aber immer noch. Wie so oft steckt der Teufel im Detail, wenn es um eine nutzbare Anwendung geht. Doch in einem Projekt des Wissenschaftsfonds FWF konnten nun viele dieser "Teufel" ausgetrieben werden.

„Einzelne Bauelemente auf Graphen-Basis zeigen ja bereits herausragende Eigenschaften“, erläutert der Projektleiter Thomas Pichler vom Bereich Elektronische Materialeigenschaften der Universität Wien, „doch der große Durchbruch in der Anwendung als integrierte elektronische Bauelemente steht noch aus. Es ist ganz einfach bisher nicht gelungen, dieses Material in einer zuverlässig reproduzierbaren Art und Weise für die etablierte Halbleitertechnologie zu nutzen.“

Eines der größten Hindernisse dafür war bisher die mangelnde Kontrolle, die man auf atomarem Level darüber hatte, wie Graphen mit seiner Umgebung interagiert. So war ein berechenbarer und damit gezielter Einsatz bisher kaum möglich. Ja, selbst die Wechselwirkung zwischen Graphen und dem Trägermaterial, auf das es aufgrund seiner geringen Dicke aufgebracht werden muss, war bisher nur teilweise verstanden. Das Projektteam um Pichler konnte genau das nun ändern.

Korrelation zwischen Ladungstransfer und mechanischer Spannung

Dabei gelang es dem Team auch gleich, einige überraschende neue Erkenntnisse zu gewinnen. „Wir konnten erstmals eine Korrelation zwischen einem Ladungstransfer – also der Verschiebung von Elektronen – und mechanischer Spannung von Graphen nachweisen“, schildert Pichler ein herausragendes Ergebnis des Projekts, das vor Kurzem zu Ende gegangen ist, „eine Beobachtung, die durchaus große praktische Bedeutung haben kann, denn zukünftig könnten so interne Spannungen in Bauelementen auf Graphenbasis ganz ohne Kontakt gemessen werden.“

Und auch bei der zielgerichteten Kontrolle der Umgebung von Graphen konnte das Team signifikante Erfolge erzielen: Im Rahmen des Projekts wurde es erstmals möglich, die Grenzfläche zwischen Graphen und klassischen Halbleitern wie Germanium auf atomarer Ebene exakt zu kontrollieren. Nach Einschätzung vieler ist dies ein wichtiger Fortschritt, um die nanoelektronischen Bauelemente auf Graphenbasis für die Halbleitertechnologie nutzbar zu machen.

Entscheidend für den Erfolg des Kooperationsprojekts war dabei, dass es gelang, zwei methodisch unterschiedliche Verfahren optimal miteinander zu verbinden und einzusetzen. So nutzte das Team um Pichler modernste Messverfahren der Spektroskopie, die mit sogenannten Ab-initio-Rechnungen eines Teams um Ludger Wirtz vom Institut für Elektronik, Mikroelektronik und Nanotechnologie der Universität Lille ergänzt wurden.

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