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Graphen – das Quanten-Ohm im Bleistiftstrich

05.12.2007

Im Jahr 2004 fanden Forscher an der Universität Manchester und an der Columbia Universität New York unabhängig voneinander eine Methode, aus Graphit einzelne Kohlenstoff-Atomlagen abzuspalten, sie auf eine Halbleiterelektrode zu übertragen und für elektrische Messungen zu nutzen. 
Das neue Material mit dem Namen Graphen (Betonung auf der letzten Silbe) weist aufgrund seiner Bandstruktur besondere Eigenschaften auf, die es sowohl für Grundlagenuntersuchungen als auch für praktische Anwendungen, z. B. extrem schnelle und kleine Transistoren, interessant erscheinen lassen. Besonders interessant ist es auch für die Metrologie, denn der Quanten-Hall-Effekt, mit dem ein elektrischer Widerstand extrem präzise realisiert werden kann, ist in diesem Material selbst bei Raumtemperatur beobachtbar.
Die PTB hat mit der Herstellung und Untersuchung des neuen Materials begonnen, um es auf seine Eignung für ein präzises Widerstandsnormal zu testen. Die Einheit Ohm ließe sich mit Graphen möglicherweise einfacher reproduzieren als mit dem üblicherweise benutzten Halbleitermaterial Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid (GaAs/AlGaAs), das tiefe Temperaturen unterhalb
2 Kelvin und Magnetfelder von etwa 10 Tesla erforderlich macht. Gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart wurden erste Proben aus Graphen hergestellt. Die relativ geringe Größe der Proben sowie ihre große Empfindlichkeit lassen derzeit noch keine Messungen zu, die mit denen am üblichen Material konkurrieren könnten, jedoch lässt bereits die erste in der PTB durchgeführte Messung des Quanten-Hall Widerstands das Potential von Graphen erahnen: Die im Bild sichtbaren Plateaus mit konstantem Hall-Widerstand sind deutlich breiter als man es von GaAs/AlGaAs gewohnt ist.

Bild 1 
Der Hall-Widerstand einer Graphen-Probe, aufgetragen in Einheiten von h/2e². Graphen lässt sich mit einer Steuerelektrode kontinuierlich von einem Elektronen- zu einem Loch-Leiter einstellen, so dass der Quanten-Hall Effekt der Elektronen oder der Löcher in der selben Probe gemessen werden kann.