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Graphene allowed to grow under controlled conditions

First results of a research cooperation from Hanover and Braunschweig

06.04.2009

Since two research groups, independent of one another, were in 2004 able to produce graphene and to measure it electrically, a form of gold rush has evolved around the new relative of graphite, because the carbon layers consisting of only a single layer of atoms have interesting properties. For example, the electrons contained therein are especially mobile and could in future replace the semiconductor materials used in fast computer chips today. However, research is still in the early stages. An inexpensive, well-controlled mass production method is sought after intensively worldwide. A possible method to produce large-surface graphene is the epitaxy, the controlled growth of graphene in vacuum. First results of a research cooperation between the Leibniz University Hannover and the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) now show promise of improved growth control of single graphene layers. They have currently been published in the Applied Physics Letters trade journal. Following these initial investigations of the interactions between the layers, the following work in Hanover aims to show the interaction within the layers. Then the PTB part follows: the quantum Hall effect is to be measured there, which has never yet been accomplished with graphene of such self-organized growth.

Graphen besteht aus einer einzigen Atomlage von Kohlenstoffatomen, die sich in einem bienenwabenförmigen hexagonalen Gitter anordnen. (Quelle: Wikipedia commons)

Das Rezept lautet (etwas vereinfacht) so: Man erhitzt einfach ein Stück Siliciumcarbid (im Vakuum). Ab einer bestimmten Temperatur wandern die Kohlenstoffatome an die Oberfläche und lagern sich als feine Schicht auf dem noch festen Siliciumcarbid ab. Nun kühlt man die Probe wieder ab und hat eine, zwei oder mehrere schönste Graphenschichten vor sich: Kohlenstoff in einer regelmäßigen sechsteiligen Ringstruktur, wie beim Graphit, nur hier eben zweidimensional. „Eine der interessanten Fragen, die zurzeit viele Forscher umtreibt, war für uns: Ist bereits die erste abgelagerte Schicht echtes Graphen?“ erklärt Christoph Tegenkamp, Physiker an der Leibniz Universität Hannover und Leiter des Projektes. Tegenkamp und seine Kollegen haben mit verschiedenen Methoden, darunter Rastertunnelmikroskopie, niederenergetische Elektronenbeugung (LEED) und Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS), die Wechselwirkungen zwischen dieser ersten Kohlenstoffschicht mit ihrer „Unterlage“ aus Siliciumcarbid aufs Korn genommen. „Da das Graphen als zweidimensionale Schicht auf dem Siliciumcarbid-Substrat liegt, gibt es Restwechselwirkungen“, sagt Tegenkamp. „Damit wird sich diese erste Schicht elektrisch noch nicht ganz wie Graphen verhalten, ist aber dicht dran“. Jetzt warten die nächsten Schritte auf das Team: Die Wissenschaftler wollen mehr über die Wechselwirkungen innerhalb einer einzelnen Graphen-Schicht herausfinden. Damit geht das Projekt in eine noch spannendere Phase. "Für diese Untersuchungen stehen an der Leibniz Universität Hannover weltweit einzigartige Untersuchungsmethoden zur Verfügung", erklärt Tegenkamp.

Anschließend sollen in der PTB hochpräzise elektrische Messungen des Quanten-Hall-Effekts in Graphen folgen. Der Quanten-Hall-Effekt in halbleitenden Proben wird schon seit Längerem dafür genutzt,um ein Quantennormal des elektrischen Widerstands zu realisieren, also für die Einheit Ohm. „Wir sind sehr gespannt, was wir in Graphen sehen werden“, sagt Hans Werner Schumacher, Arbeitsgruppenleiter in der PTB. Seine Kollegen und er interessieren sich vor allem für eine Besonderheit des Quanten-Hall-Effekts in Graphen: Nur in diesem Material ist er im Prinzip schon bei Zimmertemperatur zu beobachten. Im Gegensatz dazu tritt er in den bisher verwendeten halbleitenden Materialien nur dann auf, wenn die Proben auf ein paar Grad an den absoluten Nullpunkt heran, also auf unter –268 °C gekühlt werden. Graphen könnte deshalb in Zukunft als deutlich einfacheres Quanten-Widerstandsnormal genutzt werden.

Wegen dieser wichtigen metrologischen Anwendung verfolgt die PTB noch einen zweiten Ansatz rund ums Graphen: Neben Untersuchungen an „gewachsenem“ Graphen laufen zurzeit bereits elektrische Messungen an mechanisch erzeugtem Graphen, das durch Auseinanderblättern einzelner atomarer Graphitschichten entsteht. „Testmessungen versprechen eine interessante Bestätigung für den besonderen Quanten-Hall-Effekt“, erläutert der zuständige PTB-Wissenschaftler Franz-Josef Ahlers. Genauere Zahlen sollen in einigen Monaten folgen.