Graphen ist ein neues Material, das aus nur einer einzigen Lage von regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht. Seine besonderen Eigenschaften werden voraussichtlich zur Entwicklung von schnelleren, kleineren und flexibleren Elektronikbauteilen führen und Anwendungen in vielen Bereichen erlauben, z.B. Transistoren, Touchscreen-Displays, smarte Sensoren, Batterien, Superkondensatoren, Solarzellen sowie Biomarker und Sensoren für die Medizintechnik.
Eine Monolage aus Kohlenstoff-Atomen in einer "Honigwaben"-Geometrie.
Darüber hinaus zeigt Graphen einen Quanten-Hall-Effekt, der für die Metrologie von großem Interesse ist. Die physikalischen Eigenschaften von Graphen (insbesondere die elektronische Bandstruktur) unterscheiden sich stark von den Eigenschaften der herkömmlichen GaAs-Heterostrukturen. Der Quanten-Hall-Widerstand von Graphen unterscheidet sich deshalb im Detail von GaAs-Heterostrukturen. Zum einen besitzt Graphen eine deutlich größere Stromtragfähigkeit. Zum anderen hat Graphen das Potenzial, bereits bei moderaten Temperaturen (≥ 4 K) und moderaten Magnetfeldern (≤4 T) einen präzisen Quanten-Hall-Effekt zu zeigen. Das würde die Messtechnik und den apparativen Aufwand deutlich vereinfachen.
Aus diesem Grund beteiligt sich die PTB an internationalen Forschungsprogrammen, in deren Rahmen Graphen-Proben hergestellt und charakterisiert werden. Außerdem fertigt die Arbeitsgruppe 2.53 hochwertiges, epitaktisch auf SiC-Substrat gewachsenes Graphen-Material, aus dem mit Hilfe von modernen lithografischen Verfahren strukturierte Quanten-Hall-Proben hergestellt werden.
Foto eines Graphen-Quanten-Hall-Widerstandes mit lithografisch hergestellten Gold-Kontakten. Sowohl das SiC-Substrat als auch das Graphen sind transparent. Der Hallbar ist deshalb mit einer gestrichelten Linie angedeutet.
In unserer Arbeitsgruppe 2.62 werden dann die Gleich- und Wechselstrom-Eigenschaften dieser Proben charakterisiert. Dazu zählen neben dem Wechselstrom-Quanten-Hall-Widerstand auch die Magnetokapazität und der Dissipationsfaktor sowie das elektronische Rauschen. Die Wechselstrom-Eigenschaften von Graphen-basierten Quanten-Hall-Widerständen sind sehr vielversprechend und sollen durch ein verbessertes Probendesign optimiert werden. Langfristiges Ziel ist ein einfacheres und anwenderfreundlicheres Widerstands- und Impedanznormal, das auch bei Kalibrierdienstleistern und möglicherweise sogar in einigen Industriefirmen, die entsprechend geringe Unsicherheiten wünschen, anwendbar ist.