Je leest:

Toepassing grafeen in zicht

Toepassing grafeen in zicht

Auteur: | 26 januari 2010

Grafeen is één van de pijlers van nanotechnologie. Het is het dunste materiaal mogelijk en heeft unieke eigenschappen. Maar het grootste stukje grafeen was nooit groter dan enkele micrometers. Tot nu, want wetenschappers hebben voor het eerst grafeen gemaakt dat groot genoeg is om aan een toepassing te denken. Zoals een nieuwe standaard voor het meten van elektrische weerstand.

Nanotechnologie belooft een scala aan nieuwe, ongekende toepassingen. De een na de andere nieuwe vondst met nanodeeltjes borrelt omhoog. Maar grafeen is pas echt veelbelovend. Sinds de ontdekking ervan in 2004 staat het voortdurend in de schijnwerpers. Zonnecellen, buigzame lcd- en touchscreens, maar vooral een nieuwe standaard in elektronica op de kleinste schaal zijn de grote beloftes.

Uniek

Grootse verwachtingen voor een in essentie simpel materiaal: het is niet meer dan een enkele laag koolstofatomen, geordend in een kippengaaspatroon; dunner dan dit kan niet. Maar grafeen heeft bijzondere eigenschappen. De enorm sterke koolstofbinding maakt de laag erg stabiel. Bovendien zoeven elektronen met de snelheid van het licht tussen de atomen door. Dat zie je in geen enkel ander materiaal.

Mede door deze unieke eigenschappen wordt grafeen als de ideale vervanger gezien van silicium in de wereld van computerchips. De beroemde Wet van Moore stelt dat de dichtheid van transistors op een computerchip elke twee jaar verdubbelt. Maar bij silicium begint het eind in zicht te raken. Transistors van grafeen zijn sneller en werken bij hogere temperaturen. Grafeen kan daarom de oplossing zijn om de verbetering van chips de komende jaren te garanderen.

Maar niet alleen de wereld van chips en transistors houdt grafeen in de gaten. Ook voor touchscreens, lcd-schermen en zonnecellen heeft het nanokippengaas veel potentie. De combinatie van stevigheid en transparantie lijkt ervoor in de wieg gelegd. De goede geleiding van grafeen kan de efficiëntie ook nog eens verhogen. En dat is weer gunstig voor de energierekening.

Plakbandje

Stukjes grafiet op plakband. Tussen het grafiet zitten enkele laagjes grafeen verborgen.

Waar wachten we dan nog op? Nou, er is nog een klein probleempje, letterlijk. Het is nog niet mogelijk grafeen op grote schaal uit de fabriek te laten rollen. De enige manier om grafeen te maken was, net als André Geim in 2004 het voor het eerst demonstreerde, met een plakbandje losse laagjes atomen van grafiet trekken. Een simpele en goedkope manier om met grafeen aan de slag te gaan, maar weinig geschikt voor productie op grote schaal. De grootste brokken zijn kleiner dan een millimeter.

Een groep Europese onderzoekers heeft nu voor het eerst een zodanige hoeveelheid grafeen gemaakt, dat je er praktisch iets mee kunt. Vorige week berichtten ze hierover in het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology. De wetenschappers lieten grafeen ‘groeien’. Net alsof je een zaadje plant in een vruchtbaar stuk grond, zo lieten ze kristallen van grafeen groeien op een voedingsbodem van siliciumcarbide. Het leverde stukken nanokippengaas op van ongeveer 50 vierkante millimeter.

Elektrische weerstand

Het idee van grafeen laten groeien is niet nieuw, maar het resultaat dat ze ermee bereikten is weer een stap vooruit. Een grotere stap vooruit is misschien wel wat de groep onderzoekers er vervolgens mee gedaan heeft. Ze hebben de elektrische eigenschappen van het grafeen met een ongekend hoge nauwkeurigheid gemeten. En dat is goed nieuws voor chipfabrikanten, want zij moeten voor hun transistors altijd snel en nauwkeurig dit soort metingen uitvoeren.

Fabrikanten moeten zich hierbij houden aan een internationaal afgesproken standaard. Op dit moment is de internationale standaard voor het meten van elektrische weerstand het kwantum-Halleffect (zie kader). Met dit fenomeen bepaal je de elektrische eigenschappen van een tweedimensionaal materiaal, zoals grafeen, aan de hand van natuurconstanten (zoals de constante van Planck). Die liegen nooit en zijn onafhankelijk van welke opstelling dan ook.

Het kwantum-Halleffect

Het kwantum-Halleffect is het door Edwin Hall bedachte Hall-effect in een kwantummechanisch jasje. Hall vond in 1879 dat als je een tweedimensionaal (half)geleidend plaatje in een magneetveld plaatst, een tweede spanning (de Hall-spanning) loodrecht op de normale stroomrichting ontstaat. Maak je het plaatje superdun, dan spreken natuurkundigen van een tweedimensionaal elektronengas. De Hall-spanning neemt dan alleen een aantal vaste waarden aan, afhankelijk van de lading van de elektronen. Die lading kan met een precisie van één op een biljoen gemeten worden.

Nieuwe standaard

Momenteel zijn 2d-halfgeleiders als galliumarsenide dé materialen waar je met het kwantum-Halleffect de beste resultaten haalt. Nadeel is alleen dat het erg koud moet zijn, vlakbij het absolute nulpunt, en je hebt sterke magneetvelden nodig. Niet ieder lab is in staat die omstandigheden te creëren.

Grafeen wordt al langer getipt als vervanger van deze halfgeleiders, maar tot nu toe was de nauwkeurigheid bij grafeen niet hoog genoeg of de kwaliteit van het grafeen te laag. Het is de groep Europese onderzoekers gelukt om op een handige manier grafeen te kweken en met een betere nauwkeurigheid dan ooit de elektrische weerstand te meten. En ook nog eens bij hogere temperaturen. Aangezien dan veel meer laboratoria gebruik kunnen maken van deze truc lijkt het niet meer dan logisch dat grafeen de nieuwe standaard wordt voor het meten van elektrische weerstand.

Een doorbraak? Carlo Beenakker, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit Leiden, wil het zo niet noemen. “Eerder een vooruitgang”, zegt hij. “Het is niet iets nieuws of unieks, maar het is beter dan wat we tot nu toe konden. Het belangrijkste is dat er nu voor het eerst echt een toepassing in zicht is voor grafeen. Weliswaar een gespecialiseerde, en dus niet de meest spannende, maar je moet ergens mee beginnen. Ik kan me wel voorstellen dat over pakweg tien jaar de weerstandenstandaard op basis is van grafeen.”

Lees meer over grafeen:

Wat is grafeen, waarom is het zo bijzonder en wat kunnen we ermee? Word in één klap expert op het gebied van grafeen met ons overzichtelijke Kennislinkdossier.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 januari 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.