Je leest:

Utrechtse wetenschappers strikken lintjes van grafeen

Utrechtse wetenschappers strikken lintjes van grafeen

Grafeenlint heeft de eigenschappen van een elektronische diode

Wetenschappers van onder andere de Universiteit Utrecht zijn erin geslaagd lintjes van grafeen met een verschillende breedte aan elkaar te binden. Zo ontstaat een microscopisch kleine structuur die stroom maar in één richting doorlaat. Het is een stapje naar een elektronische diode van grafeen.

Dat je veel kan doen met het ‘moleculaire kippengaas’ grafeen is al jaren duidelijk. Sinds het koolstofmateriaal van slechts een atoom dik in 2004 voor het eerst werd geïsoleerd, wordt het consequent wondermateriaal genoemd. Wereldwijd zijn duizenden wetenschappers actief om die potentie uit het dunne materiaal te halen. Grafeen is extreem dun, flexibel, sterk, doorzichtig, en een hele snelle geleider van elektriciteit. Onderzoekers vermoeden dat het geschikt is voor snelle elektronica.

Maar als je er elektronica van wil maken, moet je het met een grote precisie – tot op het atoom – kunnen ‘leggen’. Dat is niet makkelijk; op de schaal van grafeen kun je immers niets vastpakken. Universitair docent Ingmar Swart van de Universiteit Utrecht heeft nu samen met collega’s een methode gevonden om nauwgezet smalle ‘lintjes’ van grafeen te maken. Eén atoom dik en slechts enkele atomen breed.

Vooral de geleidende eigenschappen springen in het oog. Uit de theorie wisten Swart en collega’s dat de precieze breedte van een lintje grafeen de eigenschappen sterk bepaalt. Grafeen van vijf atomen breed is een snelle geleider, een breder lintje van zeven atomen is verrassend genoeg een halfgeleider. Door deze twee lintjes te combineren ontstaat een geleider-halfgeleider-combinatie die stroom maar in één richting doorlaat: het is een microscopisch kleine diode, een mogelijke component in die beloofde snelle elektronica. De wetenschappers publiceerden hun onderzoek deze week in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Communications.

Aftasten

Afm schematic %28en%29
Het algemene principe van een zogenoemde atomic force microscope (AFM). Met een extreem scherpe naald wordt het oppervlak van een monster afgetast. Een laser registreert de subtiele bewegingen van de naald die iets vertellen over de structuur van het oppervlak. In dit onderzoek werd overigens een type AFM zonder laser gebruikt.

Het komt dus allemaal erg nauw bij grafeen: de breedte van een lintje bepaalt zijn geleidingseigenschappen. De kunst van dit onderzoek was om grafeenlintjes met verschillende breedtes aan elkaar te binden. Dat gebeurde op een oppervlak van goud, dat als een Katalysator werkt.

De uitgangsstoffen voor de lintjes zijn kleine stukjes grafeen die bij binding een lint vormen. “We begonnen met verschillende stoffen, waardoor we lintjes met een verschillende breedte kregen. Bovendien ontstonden er ook overgangen, plekken waar een lintje plotseling iets breder of iets smaller wordt”, zegt Swart. “We kregen een mix van lintjes met verschillende overgangen, die volgens de theorie allemaal andere elektronische eigenschappen hebben. We hebben overigens nog geen echte controle over de soort lintjes die we willen maken.”

Met een zogenoemde atomic force- en scanning tunneling microscope konden de elektronische eigenschappen van de creaties getest worden. Hierbij wordt het grafeen met een extreem scherpe naald (slechts een atoom dik) afgetast om een beeld te vormen. Tegelijk levert een stroom door de naald informatie over de elektrische eigenschappen van het materiaal. “We hebben berekeningen laten doen door collega’s van de Technische Universiteit Delft en die bleken heel mooi overeen te komen met wat wij zagen”, zegt Swart. “Verschillende lintjes gedragen zich als een soort diode, ze laten de stroom vooral naar één kant door.”

Structuur grafeen
Een lint van grafeen gezien door een zogenoemde atomic force microscope (boven). In het onderste plaatje is de structuur van grafeen er overheen getekend. Het stuk van vijf atomen breed is geleidend, het stuk van zeven atomen breed is halfgeleidend.

Elektronica van grafeen

Gaan de Utrechtse wetenschappers nu meteen aan de slag met bouwen van grafeenelektronica, de grote belofte? Dat gaat nog even duren, denkt Swart. “We hebben meer controle nodig over de reacties op het goudoppervlak”, zegt hij. “Er zijn wel ideeën over hoe dat kan. We kunnen oppervlaktestructuren gebruiken, die het grafeen op een bepaalde manier ordenen. Vervolgens kunnen we nog spelen met de volgorde van de stoffen die we toevoegen.”

Andre geim 2013
Andre Geim won in 2010 samen met Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor de Natuurkunde omdat ze er voor het eerst in waren geslaagd om een laagje grafeen te isoleren en er experimenten mee te doen. Dat werk deden ze onder andere aan de Radboud Universiteit.

“Wij gaan sowieso geen elektrische componenten maken”, vervolgt Swart. “Het fundamentele werk is voor ons, en we testen of het grafeen daadwerkelijk de voorspelde eigenschappen heeft. Vervolgens hopen we dat anderen ermee verder gaan. Er zijn overigens al wel successen te melden. Onderzoekers zijn er bijvoorbeeld al in geslaagd een transistor van grafeen te maken. Maar het is allemaal nog erg vroeg, vergeet niet dat dit nog een jong onderzoeksveld is.”

‘Wondermateriaal’

Zoek op internet op ‘grafeen’ en het lijkt het synoniem te zijn voor ‘wondermateriaal’ (ook NEMO Kennislink gebruikte die term regelmatig). De verwachtingen van grafeen zijn torenhoog: het zou leiden tot nieuwe elektronica, tot nieuwe batterijen, sensoren en het heeft toepassingen in materiaalonderzoek.

Lopen we niet wat hard van stapel? De eerste echte toepassing van grafeen moet zijn weg nog naar de markt vinden. Swart heeft zo zijn bedenkingen bij de term ‘wondermateriaal’. “Als je consequent roept dat iets fantastisch is, dan wordt dat het nieuwe ‘normaal’”, zegt hij. “Het heeft misschien te maken met het feit dat onderzoekers steeds harder roepen om hun onderzoek te financieren. Natuurlijk, grafeen heeft veel interessante eigenschappen en mogelijke toepassingen, maar het verricht vooralsnog geen wonderen.”

Bron

  • Jacobse P. et al., Electronic components embedded in a single graphene nanoribbon, Nature Communications (25 juli 2017), DOI:10.1038/s41467-017-00195-2
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 juli 2017

Discussieer mee

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE