29.11.2016
An der PTB ist es gelungen, Graphen auf einem Siliziumkarbid-Substrat großflächig und kontrolliert so abzuscheiden, dass dabei keinerlei Doppellagen mehr entstehen. Elektrische Präzisionsmessungen haben gezeigt, dass sich dieses Monolagen-Graphen hervorragend zur Herstellung von Quanten-Hall-Widerstandsnormalen eignet.
Seit einigen Jahren werden Quantennormale aus Graphen zur Reproduktion der Widerstandseinheit untersucht, weil sie eine Vereinfachung der Messbedingungen versprechen.
Beim epitaktischen Wachstum von Graphen auf Siliziumkarbid(SiC)-Substraten war es bislang unvermeidlich, dass sich auf dem idealerweise einlagigen Kohlenstoff-Kristall auch Bereiche mit Doppellagen bilden, die sich negativ auf die elektrischen Eigenschaften des Graphens auswirken. Eine deutliche Verbesserung ist jetzt mit einem Herstellungsverfahren erzielt worden, bei dem zusätzlicher Kohlenstoff durch die thermische Zersetzung eines Polymers angeboten wird.
Durch das in der PTB entwickelte und zum Patent angemeldete Verfahren lässt sich großflächig monolagiges Graphen herstellen. Präzisionsmessungen des elektrischen Widerstands an einem Bauelement aus diesem bilagen-freien Graphen zeigen hervorragende Ergebnisse. Die relative Abweichung des Widerstands vom Nominalwert beträgt weniger als 5x10-10, und das schon unter vereinfachten Messbedingungen, nämlich bei 4,2 K. Das Pumpen am Flüssig-Helium-Bad zur weiteren Temperaturerniedrigung wird somit überflüssig, was die Messungen vereinfacht und zusätzlich gegen Störungen robuster macht.
Weiterhin konnte mit Hilfe optischer Spektroskopie im PTB-Labor für optische Analytik geklärt werden, wie das Graphenwachstum durch das Polymer unterstützt wird. Die Ergebnisse sind kürzlich unter dem Titel "Comeback of epitaxial graphene for electronics: large-area growth of bilayer-free graphene on SiC" in der Zeitschrift "2D Materials" veröffentlicht worden.
Bild: Spektroskopische Aufnahme einer Graphenprobe. In den grün-blauen Bereichen liegt eine Monolage vor.