Graphen ist ein Material, das die Forscher seit seiner Entdeckung zu immer neuen Experimenten inspiriert hat. Es ist ein monoatomarer Werkstoff, das heißt dass alle Kohlenstoffatome genau in einer Ebene in regelmäßigen Sechsecken angeordnet und miteinander verbunden sind. Wegen dieser speziellen Struktur hat es überraschende Eigenschaften, zum Beispiel eine hohe Festigkeit in der Molekülebene und einen geringen elektrischen Widerstand. Physikalisch gesehen ist Graphen ein Halbmetall.
Bisher war es allerdings noch nicht möglich, Graphen so zu verändern oder zu beeinflussen, dass es eine Bandlücke ausbildet und damit zum Halbleiter wird. Das würde viele neue Anwendungen ermöglichen, angefangen von neuen Konzepten für elektronische Schaltungen bis hin zur Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung. Genau dieses Kunststück ist nun einer Forschergruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) gelungen, indem sie Graphen mit hexagonalem Bornitrid (hBN), einem strukturell ähnlichen Werkstoff, kombinierte.
Auch hexagonales Bornitrid besitzt eine sechseckige Kristallstruktur wobei die Atomabstände leicht von denen des Graphen abweichen, genauer gesagt nur um 1,8 %. Die Forscher haben nun eine hBN-Schicht aus einer Atomlage auf Graphit aufgebracht und darauf genau eine Lage Graphen positioniert (Abb. 1). Zwischen diesen beiden Lagen bilden sich schwache van-der-Waals-Kräfte aus, die für den Zusammenhalt der Struktur sorgen.
Abb. 1: Schematische Darstellung der Anordnung von hexagonalem Bornitrid und Graphen für die Versuche zur Bandlücke
Abb. 2: Schematische Darstellung des Moirée-Musters bei Überlagerung der beiden leicht unterschiedlichen Kristallgitter von Graphen und hexagonalem Bornitrid. Der periodisch unterschiedliche Versatz der Atome in den beiden Gittern führt zu einer regelmäßigen Modulation des Potentials in dem Verbundmaterial. Die verschiedenen elektronischen Wechselwirkungen erzeugen darin die Eigenschafen eines Halbleiters.
Der leichte Versatz der Atompositionen in den beiden übereinanderliegenden Gittern führt zur Ausbildung von Moirée-Strukturen mit einer Wellenlänge, die deutlich größer als eine Elementarzelle der Kristallgitter ist; dies wird auch als Supergitter bezeichnet. In einigen Elementarzellen liegen die Atome fast übereinander, in einigen Zellen nehmen sie jeweils Zwischenpositionen ein. Dies ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt.
In dieser neuen Materialmischung gibt es Wechselwirkungen zwischen dem sehr guten Leiter Graphen und dem Isolator Bornitrid. Einerseits wird das elektrische Potential mit der Wellenlänge der Superzelle moduliert. Andererseits führen die unterschiedlichen Potentiale der Bor- und der Stickstoffatome im hexagonalen Bornitrid dazu, dass die Elementarzellen des Graphens verschieden verspannt werden. Über eine Superzelle mittelt sich dieser Effekt aus, allerdings führt genau diese Verspannung zu überraschenden neuen elektronischen Eigenschaften des Verbundmaterials.
Die Forschergruppe um die beiden Professoren Pablo Jarillo-Herrero und Ray Ashoori konnte zeigen, dass dieses Verbundmaterial eine Bandlücke ausbildet, also zum Halbleiter wird. Durch die Kombination der beiden Werkstoffe haben die Wissenschaftler ein Hybridmaterial erzeugt, das andere Eigenschaften hat als jeder der beiden Ausgangsstoffe. So entstand ein Halbleiterwerkstoff sehr hoher Qualität, der nun weiter untersucht wird.
Die Herstellung des Materialverbunds war eine große Herausforderung, denn die Kristallgitter müssen sehr genau übereinander positioniert werden, um die gewünschten elektronischen Eigenschaften zu erhalten. Für die Feinpositionierung mussten sich die Forscher am MIT auf ihr Glück verlassen, nur ungefähr jeder 15. Versuch klappte, denn durch leichte Verdrehung der Kristallgitter gegeneinander verändern sich auch die elektronischen Eigenschaften.
Andere Forschungsgruppen haben schon Graphen in einen Halbleiter verwandelt, indem sie schmale Bänder herausätzten. Dabei wird aber die gute elektrische Leitfähigkeit des Materials deutlich verschlechtert, was bei dem neuen Ansatz aus dem MIT nicht geschieht.
Die Bandlücke des neuen Halbleiters ist im Moment noch nicht groß genug, um es tatsächlich für elektronische Bauelemente einsetzen zu können. Hier ist nach Angaben der Wissenschaftler noch weitere Arbeit notwendig. Wenn eine große Bandlücke hergestellt werden könnte, würde das Anwendungen in der gesamten Elektronik ermöglichen. Schon jetzt gäbe es allerdings mögliche Anwendungen in der Optoelektronik, beispielsweise Photodetektoren.
Die in den Experimenten gefundenen Eigenschaften passen heute noch nicht in die vorhandene Theorie. Eigentlich hatten die Forscher erwartet, örtlich unterschiedliche Eigenschaften des Werkstoffs zu finden. Tatsächlich aber ist über die gesamte Oberfläche der Probe eine einheitliche Bandlücke vorhanden, die auch noch größer ist als erwartet. Auch die Veränderung der elektrischen Eigenschaften ist wesentlich größer als die Theorie vorausgesagt hatte.
Die Arbeiten wurden von einem Team am MIT sowie weiteren Forschern von der Universität Arizona, dem Nationalen Forschungsinstitut für Werkstoffe in Tsukuba, Japan und der Tohoku Universität in Japan durchgeführt. Die Finanzierung kam von der Nationalen Energiebehörde der USA (Department of Energy), der Gordon und Betty Moore Stiftung sowie der National Science Foundation der USA.
