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Herstellung von epitaktischem Graphen in der PTB

22.11.2013

Das neue „Wundermaterial“ Graphen hat das Potential, als neues Quantennormal die elektrische Widerstandseinheit „Ohm“ zukünftig mit höchster Präzision zu reproduzieren. Die einzelne Lage aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen des Graphenmaterials bietet auf Grund ihrer speziellen Eigenschaften einen echten Vorteil für die Widerstandsmetrologie: Ein Quantennormal aus Graphen könnte im Prinzip ohne flüssiges Helium und bei kleineren Magnetfeldstärken betrieben werden. Dies würde den technischen Aufwand und die Kosten entsprechender Messungen und Kalibrierungen deutlich verringern. Graphen könnte daher in Zukunft das bisher verwendete Galliumarsenid als Ausgangsmaterial für die sogenannten Quanten-Hall-Bauelemente ablösen.

Ein Problem von Graphen-Quanten-Hall-Bauelementen war die bisherige Präparationsmethode. Mit ihr konnten nur sehr kleine Graphen-Flocken (im 100-Mikrometer-Bereich) von einem Graphitblock abgelöst werden. Um diese Hürde zu überwinden, ist im Reinraumzentrum der PTB nun eine Apparatur (siehe Abbildung) zur Herstellung von epitaktischem, atomar großflächig geordnetem Graphen aufgebaut worden. Damit kann auf zentimetergroßen Siliziumkarbid (SiC)-Substraten großflächig Graphen hergestellt werden. Bei diesem Prozess wird allerdings kein Kohlenstoff aufgebracht, sondern die oberen Atomlagen des SiC-Substrates werden bei sehr hohen Temperaturen von über 1600°C aufgebrochen. Das ungebundene Silizium entweicht und die verbleibenden Kohlenstoffatome bilden bei geeigneter Prozessführung das graphentypische zwei-dimensionale sechseckige perfekte Kristallgitter aus. 

Dass es sich bei den hergestellten Kohlenstofffilmen tatsächlich um Graphen handelt, konnte mittels Raman-Spektroskopie nachgewiesen werden. Sowohl die elektrischen Messungen als auch Untersuchungen mittels Rasterkraftmikroskopie zeigten, dass schon bei den ersten Versuchen hochqualitative Graphenfilme hergestellt werden konnten. In Zukunft wird es durch die Optimierung der Wachstumsbedingungen u. a. darauf ankommen, die Elektronendichte im Graphen zu verringern, um daraus ein geeignetes Widerstandsnormal fertigen zu können.

 

Bild: Graphenofen bei 1600°C. In dem weißglühenden Hohlraum befindet sich das SiC-Substrat in einem Graphitschiffchen (nicht sichtbar), welches induktiv mittels der außenliegenden Kupferspule geheizt wird. Während des Graphenprozesses strömt Argongas bei nahezu Atmosphärendruck durch den Quarzzylinder und den Hohlraum.

 

 

 

AnsprechpartnerK. Pierz
Fachbereich 2.5:  Halbleiterphysik und Magnetismus