Rekken verandert de elektronische eigenschappen van grafeen

De elektronische eigenschappen van grafeen kunnen specifiek worden gewijzigd door het materiaal gelijkmatig uit te rekken, zeggen onderzoekers van de Universiteit van Basel. Deze resultaten openen de deur naar de ontwikkeling van nieuwe soorten elektronische componenten.

Grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die in een hexagonaal rooster zijn gerangschikt. Het materiaal is zeer flexibel en heeft uitstekende elektronische eigenschappen, waardoor het aantrekkelijk is voor tal van toepassingen, met name elektronische componenten.

Onderzoekers onder leiding van professor Christian Schönenberger van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel hebben nu onderzocht hoe de elektronische eigenschappen van het materiaal kunnen worden gemanipuleerd door mechanisch uitrekken. Hiervoor ontwikkelden ze een soort rek waarmee ze gecontroleerd de atomair dunne grafeenlaag oprekken en tegelijkertijd de elektronische eigenschappen ervan meten.

Broodjes op het rek

De wetenschappers maakten eerst een ‘sandwich’ bestaande uit een laag grafeen tussen twee lagen boornitride. Deze stapel lagen, voorzien van elektrische contacten, werd op een flexibele ondergrond geplaatst.

De onderzoekers oefenden vervolgens met een wig een kracht uit op het midden van de sandwich van onderaf. “Hierdoor konden we de stapel op een gecontroleerde manier buigen en de hele grafeenlaag verlengen”, legt hoofdauteur Dr. Lujun Wang uit.

“Door het grafeen uit te rekken, konden we specifiek de afstand tussen de koolstofatomen veranderen, en dus hun bindingsenergie”, voegde Dr. Andreas Baumgartner toe, die toezicht hield op het experiment.

Gewijzigde elektronische toestanden

De onderzoekers kalibreerden eerst het uitrekken van het grafeen met behulp van optische methoden. Vervolgens gebruikten ze elektrische transportmetingen om te bestuderen hoe de vervorming van het grafeen de elektronische energieën verandert. De metingen moeten bij min 269°C worden uitgevoerd om de energieveranderingen zichtbaar te maken.

“De afstand tussen de atoomkernen beïnvloedt rechtstreeks de eigenschappen van de elektronische toestanden in grafeen”, zei Baumgartner, die de resultaten samenvat. “Met uniform rekken kunnen alleen de elektronensnelheid en energie veranderen. De energieverandering is in wezen het ‘scalaire potentieel’ dat door de theorie wordt voorspeld, wat we nu experimenteel hebben kunnen aantonen.”

Deze resultaten kunnen bijvoorbeeld leiden tot de ontwikkeling van nieuwe sensoren of nieuwe typen transistoren. Daarnaast dient grafeen als modelsysteem voor andere tweedimensionale materialen die de afgelopen jaren wereldwijd een belangrijk onderzoeksonderwerp zijn geworden.