Met 20 kilo grafeen verbeter je alle touchscreens ter wereld.

Tweedimensionale materialen – zo genoemd omdat ze maar één atoomlaag dik zijn en geen noemenswaardige derde dimensie bezitten – zijn in de afgelopen 10 tot 15 jaar geprezen als een van de wonderen van de 21ste eeuw. Hoewel nog nauwelijks doorontwikkeld tot toepasbare, commerciële producten, gelden ze nog steeds als potentiële gamechangers op vele terreinen. Ze kunnen vliegtuigen en auto’s lichter en sterker maken, computers compacter en sneller, sensoren gevoeliger, apparaten, machines en systemen effectiever en onderhoudsvriendelijker. Het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente behoort tot de koplopers in onderzoek en ontwikkeling rond deze wondermaterialen van de toekomst.

Drie droommaterialen

Het bekendste 2D-materiaal is grafeen: dunner dan dun, vederlicht, sterker dan staal of diamant, geleidend, doorzichtig en flexibel. Minder bekend, maar zeker zo veelbelovend, volgens UT-wetenschapper Harold Zandvliet, zijn twee soortgenoten van grafeen: siliceen en germaneen. ‘Er zijn nog belangrijke hordes te nemen voordat we dit soort materialen op grote schaal toegepast zien worden in de industrie en in het dagelijks leven, maar het zijn in potentie droommaterialen.’

Grafeen

Grafeen is niet alleen het bekendste, maar tot nu toe ook het meest onderzochte 2D-materiaal: wereldwijd spannen honderden, waarschijnlijk zelfs duizenden, onderzoeksgroepen zich in om de geheimen van dit wondermateriaal te ontrafelen. Grafeen is verwant aan een natuurlijk product dat we kennen we van het vulsel in potloden: grafiet. Het bestaat uit één atoomlaag koolstof en werd in 2004 voor het eerst in een lab geïsoleerd en bestudeerbaar gemaakt. De Russisch-Nederlandse natuurkundige Andre Geim en zijn Russische collega Konstantin Novoselov ontwikkelden daarna een methode om grafeen te bestuderen en kregen daarvoor de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2010.

Grafeen is het sterkste materiaal ter wereld: zo sterk dat een grafeenplaat van een vierkante meter, vele malen dunner dan een vel papier, zonder breken of doorbuigen een gewicht van meerdere kilo’s – bijvoorbeeld een pasgeboren baby – kan dragen. Het materiaal is volledig inert – dus niet vatbaar voor luchtvochtigheid of oxidatie – en bovendien een uitstekende thermische en elektrische geleider. Dat laatste feit, gecombineerd met het feit dat het nagenoeg transparant is, maakt grafeen zeer interessant voor allerlei toepassingen, zoals bijvoorbeeld touchscreens. Daarbij is grafeen ook nog eens het dunste materiaal ter wereld: als je aanneemt dat alle zeven miljard aardbewoners ieder één aanraakscherm bezitten van ongeveer tien bij tien centimeter, zouden we met pakweg 20 kilo grafeen al die apparaten van een beter presterend grafeenscherm kunnen voorzien.  

Onderzoeksproject Graphene Flagship

Niet voor niets staat grafeen centraal in het grootste Europese onderzoeksinitiatief ooit, Graphene Flagship, met een budget van een miljard euro. Graphene Flagship heeft een consortium van meer dan 150 academische en industriële onderzoeksgroepen uit 23 landen bij elkaar gebracht om het wonder van grafeen werkelijkheid te maken. Want ondanks de belofte van het materiaal – en de toename van laagwaardige toepassingen, bijvoorbeeld in tennisrackets, helmen en geleidende verfsoorten – is de productie van hoogwaardig grafeen nog te duur voor grootschalig gebruik. Met Graphene Flagship wil de EU grafeen uit de laboratoria en op de markt krijgen, en daarmee nieuwe kansen, banen en economische groei genereren. Binnen 10 jaar hoopt de EU het potentieel van grafeen waar te maken in de vorm van alle mogelijke sterke, dunne, geleidende toepassingen: van zout- en CO2-filters tot vliegtuig- en automaterialen, van betere batterijen en zonnepanelen tot flexibele, draagbare elektronica, van opruimsystemen voor radioactief afval tot minuscule ‘hersenpacemakers’.

Het grote nadeel van grafeen

Lang is gedacht dat grafeen een heldenrol zou spelen in de voortgaande schaalverkleining van elektronische componenten, als opvolger van de huidige hoofdrolspeler in de halfgeleiderindustrie, silicium. Dat feest gaat vooralsnog niet door. Grafeen heeft namelijk één groot nadeel: het heeft geen bandkloof. Zandvliet: ‘Als je grafeen bekijkt, zie je een volledig vlak rooster van gekoppelde hexagonen, of zeshoeken; de atomen op de zes hoeken van elk hexagon liggen op een vlak. We noemen dat een kippengaasstructuur. Door die vlakheid kun je geen functionele ‘band gap’, of bandkloof, maken: als je het wel doet, gaat het ten koste van de mobiliteit van de elektronen. Het gevolg is dat de geleidingseigenschappen niet manipuleerbaar zijn. En dat maakt grafeen op dit moment nog ongeschikt voor het maken van het meest elementaire bouwblokje in de elektronica, de transistor: die moet je aan en uit kunnen schakelen, want niet lukt zonder manipulatie.’ Zandvliet voegt eraan toe dat dit ene gebrek van grafeen nauwelijks afdoet aan de wonderstatus van dit 2D-materiaal, dat dankzij z’n vele andere bijzondere eigenschappen een glansrol tegemoet gaat in deze eeuw.

Moirépatronen

Twisted grapheneEen veelbelovende variant op grafeen is ‘twisted graphene’, oftewel gedraaid grafeen. Zandvliet: ‘Als je twee grafeenlagen stapelt en de bovenste een paar  graden draait, krijg je een zogenaamd moirépatroon – feitelijk een nieuw materiaal, met vaak zeer verrassende eigenschappen. Zo is gebleken dat een draaihoek van één graad het grafeen zomaar verandert in een supergeleider: het kan elektrische stroom doorgeven zonder enige weerstand. Dat baant de weg voor zeer snelle, energiezuinige nano-elektronica.’

Buiten de wetenschap waren moirépatronen tot voor kort overigens bekender. Kunstenaars, bijvoorbeeld in de popart, leggen zijde- en vitragelagen of gerasterde foto’s over elkaar om verrassende visuele effecten en vormen te creëren. In digitale beelden komen moirépatronen soms per ongeluk voor, bijvoorbeeld als de horizontale streepjes op het overhemd van een tv-presentator interfereren met de lijnen van de tv. 

Magische draaihoeken

De ontdekking van moirépatronen in gedraaid grafeen geeft ze een volledig nieuwe status. Zandvliet, net terug van een conferentie uit Parijs over twisted 2D materialen, is enthousiast over de vooruitzichten. ‘Het voorbeeld van supergeleidend grafeen betreft nog maar één moirépatroon. Wat er voor bijzondere eigenschappen tevoorschijn komen als we andere ‘magic angles’, of magische draaihoeken, ontdekken is nog een verrassing. We staan wat dat betreft nog maar aan het begin van een fascinerende ontdekkingsreis naar de mogelijkheden van 2D-materialen.’

Zandvliet en zijn collegawetenschappers aan de UT behoren wereldwijd tot de koplopers in het onderzoek naar twisted en andere 2D-materiaalvarianten. Ze zijn niet de enige: het internationaal toonaangevende wetenschapsblad Nature meldde begin dit jaar dat ‘magic angle grafeen’ de wereld van de natuurkunde behoorlijk op z’n kop zet. Zandvliet: ‘Het bijzondere vanuit onderzoekoogpunt is dat nu, zogezegd, een simpele druk op de knop om de bovenste materiaallaag een draai te geven zo’n volledig nieuwe en zeldzame eigenschap als supergeleiding oplevert. We werken als onderzoekers hard aan het verder in kaart brengen van dit fenomeen en het verkennen van de mogelijkheden die het opent, bijvoorbeeld voor nieuwe elektronische en optische materialen.’ 

Het siliciumtijdperk en daarna

Ondertussen is er één materiaal dat de boventoon voert, voor de miljarden transistoren die alleen al in onze smartphone zitten. Dat materiaal is silicium. Zandvliet: ‘Silicium heeft naast andere eigenschappen het grote voordeel dat we er een bandkloof mee kunnen realiseren, waardoor het nog steeds het ideale materiaal is voor transistoren. Je komt het overal tegen: behalve in halfgeleiders en in computerchips ook in glas, keramiek,  lasers, fotocellen voor zonnepanelen onderdelen van röntgenapparaten en veel meer. We staan er vaak niet bij stil, maar als we over honderd jaar terugkijken op deze tijd, zal die vast en zeker bekend staan als het siliciumtijdperk.’

Siliceen en germaneen

Door de stormachtige ontwikkelingen in de wereld van 2D-materialen krijgt silicium inmiddels wel serieuze concurrentie als hoofdrolspeler in de halfgeleiderindustrie, zegt Zandvliet. Hij verwacht veel van siliceen en germaneen, de 2D-neefjes van silicium en germanium. ‘Silicium en germanium staan in het Periodiek Systeem vlak onder koolstof en delen veel eigenschappen met koolstof. Silicium heeft een diamantstructuur, maar de gesynthetiseerde variant, siliceen, heeft dezelfde kippengaasstructuur als grafeen. Dat geldt ook voor germaneen. En in tegenstelling tot grafeen, zijn ze niet vlak, maar ‘buckled’, oftewel geribbeld: drie van de atomen op de hoeken liggen en fractie hoger dan de rest. Daardoor kunnen we met beide materialen de bandkloof maken, die zo belangrijk is voor de bouw van transistoren.’

Omdat siliceen tweedimensionaal is en omdat daarnaast de elektronen in siliceen veel beweeglijker zijn dan in silicium, verwacht Zandvliet dat deze nieuwkomer in de toekomst kleinere, veel snellere transistoren mogelijk zal maken. Een ander groot voordeel ten opzichte van grafeen is dat siliceen volledig compatibel is met de bestaande siliciumtechnologie. Zandvliet: ‘Als we zouden overstappen op grafeen, zouden grote delen van de elektronische industrie herzien moeten worden: siliceen is veel gemakkelijker in de bestaande productiesystemen te integreren.’ 

Het grote obstakel

De grote horde die met siliceen en germaneen nog moet worden genomen – en waar Zandvliet en collega’s hard aan werken – zit ‘m in de vervaardiging van de materialen. Zandvliet: ‘Siliceen en germaneen zijn synthetische materialen; we zijn erin geslaagd om ze te laten groeien op een substraat, maar nog niet op zichzelf, wat met grafeen wel kan. Ook zijn ze, in tegenstelling tot grafeen, niet inert: bij blootstelling aan de open lucht gaan ze oxideren en verliezen ze de eigenschappen die ze juist zo bijzonder maken. Daarom preparen we ze nu nog in een vacuüm. Maar in deze vorm zijn ze niet toepasbaar. We onderzoeken mogelijkheden als ‘capping’, of het aanbrengen van een coating, ter bescherming van de eigenschappen. Uiteraard moet het materiaal waarvan je zo’n coating maakt dan ook weer de juiste eigenschappen bezitten en niet gaan koppelen met het siliceen of germaneen. We hebben nog veel stappen te nemen voordat deze bijzondere 2D-materialen toepasbaar worden – maar de stip aan de horizon is duidelijk te zien.’

PROF.DR.ING. HAROLD ZANDVLIET
prof.dr.ir. H.J.W. Zandvliet (Harold)
Professor of Physics of Interfaces and Nanomaterials, faculty of Science and Technology (TNW), University of Twente Studied Applied Physics and obtained his PhD at the University of Twente After his studies, he worked at Philips on one of the first Scanning Tunnelling Microscopes (STM), a technique that allows scientists to determine the topography of an object on an atomic scale Professor at the UT since 2005 Field of interest: among other things, new (2D) materials, such as graphene, silicene and germanene

‘A university exists to educate young people. For me, that is the main driver behind the work I do. Whether I am teaching Bachelor’s or Master’s students or I am busy working on research in the lab with PhD students, it is always about supporting people in their development - and their contribution to science. Exploring the uncharted waters of science is a thrilling and breath-taking experience - especially if you can take others with you.’