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Sequentielle Variation der Dotierung in epitaktischem Graphen

19.11.2018

Eine neues Wachstumsverfahren von Graphen, einer einzelnen Atomlage aus Kohlenstoffatomen, ermöglicht erstmals eine periodische Variation der elektrischen Dotierung. Ermöglicht wurde dies durch eine spezielle Wachstumstechnik, die die Eigenschaften der darunterliegenden Substratoberfläche auf atomarer Ebene kontrolliert.

 

 

Graphen ist eine spezielle Form des Kohlenstoffs, bestehend aus nur einer einzelnen atomaren Schicht aus Kohlenstoffatomen. Durch seine speziellen elektronischen Eigenschaften eignet es sich besonders gut als Quantennormal für den elektrischen Widerstand. Zur Herstellung eines solchen Quantennormals wird das Graphen an der PTB auf der Oberfläche eines Siliziumkarbidkristalls (SiC) gewachsen. Dieses Wachstumsverfahren, das eine hohe Reinheit und die Herstellung einkristalliner Schichtstrukturen ermöglicht, wird auch als epitaktisches Wachstum bezeichnet.

Genauere Untersuchungen der Oberflächenstruktur der so hergestellten Graphenschichten zeigten nun eine periodische Variation der elektronischen Eigenschaften. In Messungen der Oberfläche mit einem Rasterkraftmikroskop (Abbildung) treten einige hundert Nanometer breite Streifen auf, die sich auf Unterschiede der Ladungsträgerdichte und damit auf eine unterschiedliche Dotierung zurückführen lassen. Das periodische Muster ergibt sich dabei aufgrund der nahezu perfekten Abfolge zweier unterschiedlicher Siliziumkarbid Terrassen, die sich unter der Graphen-Monolage befinden. Eine solche Oberflächen-Struktur lässt sich hervorragend mit der in der PTB entwickelten speziellen Graphen-Wachstumstechnik des sogenannten "polymer-assisted sublimation growth" realisieren. Ob der beobachtete Effekt von den Eigenschaften der Grenzfläche oder durch die elektronischen Eigenschaften des SiC-Kristalls unter den Terrassen dominiert wird, soll eine laufende Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der TU Chemnitz und der Universität Göttingen klären. Davood Momeni Pakdehi, der als Doktorand diese Untersuchungen durchführt hat, wurde für die Präsentation der Ergebnisse auf der Konferenz Graphene Week 2018 des europäischen Graphene Flagships mit dem Preis für das beste Poster im Bereich Synthesis and Growth ausgezeichnet. Dies unterstreicht die Bedeutung der Ergebnisse für die zukünftige Optimierung der elektronischen Eigenschaften von Graphen.

 

Aufnahme einer Graphen-Monolage

Bild 1:Aufnahme einer Graphen-Monolage mit dem Rasterkraftmikroskop. Die Bereiche mit unterschiedlicher Dotierung sind durch den periodischen Phasenkontrast in Falschfarben-Darstellung sichtbar