Amerikanischen Forschern ist es gelungen, die räumliche Verteilung von Elektronen in einer einatomaren Kohlenstoffschicht mithilfe einer angelegten Spannung zu verändern. Sie haben somit den ersten Schritt zur Herstellung von Dioden oder gar Transistoren aus den superdünnen Schichten getan. Das Herzstück ihrer Studie liegt in der Entwicklung einer verlässlichen Methode zur elektrischen Kontaktierung der Schichten.
In einatomaren Lagen geschichteter Kohlenstoff, so genanntes Graphen, kann ebenso wie Kohlenstoffnanoröhren je nach der genauen geometrischen Form der Schicht entweder den Charakter eines Metalls oder eines Halbleiters annehmen. Daher sollten sich die winzigen Schichten zur Herstellung einer neuen Generation von elektronischen Grundeinheiten wie Dioden oder Transistoren eignen.
Allerdings war es bisher nicht gelungen, Graphen mittels elektrischen Kontakten lokalen elektrischen Spannungen auszusetzen, so Charles Marcus von der Harvard-Universität. Das Hauptproblem bestand darin, das Graphen mit einer dünnen Isolationsschicht zu versehen, so dass ähnlich wie bei gewöhnlichen Transistoren aus Silizium eine Kontrollspannung mittels einer Metallelektrode angelegt werden kann. Dies lag daran, dass die Herstellung der Isolationsschicht die eindimensionale Kohlenstoffschicht mit allen bisher verwendeten Verfahren zerstörte.
Den Harvard-Forschern ist es nun gelungen, eine passende Isolationsschicht aus Aluminiumverbindungen direkt aus der Gasphase auf Graphen wachsen zu lassen. Dessen räumliche Struktur blieb während dieses Vorgangs intakt, so Marcus.
Die Kohlenstoffschicht befand sich auf einer Siliziumscheibe, die mit einer dünnen Glasschicht versehen worden war. Um nun eine Spannung an das Graphen anzulegen, mussten die Forscher nur eine Metallelektrode auf der obersten Isolierungsschicht aufdampfen.
Auf diese Weise konnte das Team herausfinden, wie die Größe eines durch die Kohlenstoffschicht geleiteten Stroms von der angelegten Spannung abhing. Somit ließ sich beweisen, dass die Spannung in der Tat die Elektronendichte in der Kohlenstoffschicht unterhalb der Elektrode beeinflusste. Die räumliche Ladungsverteilung glich dabei der einer Diode, eines so genannten “p-n”-Übergangs.
Die Forscher haben somit einen großen Schritt zur Herstellung einer funktionsfähigen Diode aus Graphen getan. In einem nächsten Experiment wollen sie nun die geometrische Form der Schicht leicht verändern, um eine Bandlücke zu erzeugen. Die in dem Experiment verwendete Schicht befand sich nämlich in einem metallischen Zustand. Eine halbleitende Kohlenstoffschicht mit einem p-n-Übergang hingegen würde eine wirkliche Diode darstellen, die zur Steuerung eines Stroms eingesetzt werden könnte. Marcus glaubt, dass Graphen daher eine große Zukunft in der Nanoelektronik bevorsteht.
Science (Vorabveröffentlichung doi: 10.1126/science.1144657) Stefan Maier
