Sinds de ontdekking van grafeen is een grote toekomst voorspeld voor het materiaal, dat sterk is en zeer goed geleidend. Het slechts één atoomlaag dikke koolstof kan leiden tot nieuwe elektronica. Te denken is aan printbare en buigzame elektronica, touchscreens en OLEDs. Daarvoor is wel interactie met andere materialen nodig. Promovendus Menno Bokdam van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT onderzocht wat er gebeurt op het grensvlak met andere materialen en brengt zo grafeen elektronica een stap dichterbij. Hij promoveert op 15 november.
Grafeen kreeg de status van ‘wondermateriaal’ en in 2010 ontvingen Andre Geim en Konstantin Novoselov er de Nobelprijs voor Natuurkunde voor. Het koolstof is extreem dun, heeft een kippengaasstructuur en kan elektronen zeer goed geleiden. Maar hoe gedraagt het zich in contact met een ander materiaal dat een vergelijkbare structuur heeft, zoals boornitride? Wat gebeurt er als het boornitride tussen een laagje koper en een laag grafeen is aangebracht? Inzicht in de grensvlakken is van groot belang als je elektronica wilt ontwerpen.
Wel of geen ‘gap’?
Bokdam heeft gedetailleerde elektronenstructuurtheorie-berekeningen gedaan aan grafeen op boornitride. Dit materiaal is ook zeer dun, heeft bijna exact dezelfde kippengaasstructuur, maar verschilt van grafeen doordat het geen stroom geleidt. Op elkaar gelegd, is een herverdeling van elektronen in het grafeen te zien. Er ontstaat een patroon van elektronen en ‘gaten’, als een soort moiré patroon dat ook te zien is als twee tralies over elkaar schuiven. Wordt de hoek tussen de twee gaasstructuren nauwkeurig gekozen, dan is bovendien een ‘gap’ aan te tonen, een kloof tussen bezette en onbezette energietoestanden. Een elektron moet die kloof overwinnen voor stroomgeleiding: een bepalende eigenschap voor een halfgeleider. Wereldwijd is er discussie over het wel of niet bestaan van de ‘gap’: een eerdere MESA+-publicatie hierover behoort tot de meest geciteerde van het instituut. Bokdam stelt nu dat die gap niet ontstaat als grafeen en boornitride onder een willekeurige hoek op elkaar worden gelegd, maar wel bij nauwkeurig draaien ten opzichte van elkaar.
De ladingverdeling van elektronen en gaten krijgt een moiré-patroon als grafeen op boornitride wordt gelegd
Buitenwereld
En als de combinatie grafeen/boornitride nu op koper wordt aangebracht, voor het contact met de buitenwereld? Dan vormt zich ook op de grens van koper en boornitride een verdeling van lading, een zogenaamde dipoollaag. Doordat de boornitride laag ultradun is ziet lading dan kans door het boornitride heen te ‘tunnelen’, ondanks dat het geen stroom geleidt. De dipoollaag heeft een grote invloed op de hoeveelheid elektronen die tunnelen. Doormiddel van het kiezen van een geschikt metaal en het aanleggen van een elektrisch veld valt de concentratie van ladingsdragers in grafeen en daarmee de geleiding door het grafeen te beïnvloeden.
Boornitride (BN) en grafeen (Gr) gestapeld op koper. Op beide grensvlakken ontstaat een ladingsverdeling. Lading is in staat door de isolerende boornitride-laag heen te tunnelen
Hiermee heeft hij begrip ontwikkeld over de interactie tussen verschillende 2-dimensionale materialen onderling en met metalen. De inzichten zijn van belang voor het ontwerpen van elektronische componenten gebaseerd op grafeen en andere 2D-materialen.
Menno Bokdam heeft zijn onderzoek gedaan in de groep Computational Materials Science van prof. Paul Kelly. De groep maakt onderdeel uit van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. Zijn proefschrift, of de samenvatting ervan, is digitaal toe te sturen.
