Een bepaalde ‘sandwich’ van grafeen en boornitride kan leiden tot micro-elektronica van de volgende generatie

Moiré-patronen komen overal voor. Ze worden gemaakt door twee vergelijkbare maar niet identieke geometrische ontwerpen in lagen te leggen. Een veelvoorkomend voorbeeld is het patroon dat soms naar voren komt wanneer men een gaashekwerk door een tweede gaashekwerk bekijkt.

Al meer dan 10 jaar experimenteren wetenschappers met het moirépatroon dat ontstaat wanneer een vel grafeen tussen twee vellen boornitride wordt geplaatst. Het resulterende moiré-patroon heeft verleidelijke effecten laten zien die halfgeleiderchips enorm kunnen verbeteren die worden gebruikt om alles van computers tot auto’s van stroom te voorzien.

Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Buffalo en gepubliceerd in Natuurcommunicatietoonde aan dat grafeen in deze context zijn belofte kan waarmaken.

“Ons recente werk laat zien dat deze specifieke sandwich van grafeen en boornitride eigenschappen opwekt die geschikt zijn voor gebruik in nieuwe technologische toepassingen”, zegt Jonathan Bird, Ph.D., professor en voorzitter van de afdeling Elektrotechniek aan de UB.

Grafeen is gemaakt van koolstof, net als houtskool en diamanten. Wat grafeen onderscheidt, is de manier waarop de koolstofatomen in elkaar zitten: ze zijn verbonden in een zeshoekig of honingraatpatroon. Het resulterende materiaal is het dunste materiaal waarvan bekend is dat het bestaat, zo dun dat wetenschappers het tweedimensionaal noemen.

Alleen gelaten, geleidt grafeen elektriciteit goed – zelfs te goed om bruikbaar te zijn in micro-elektronische technologie. Maar door grafeen tussen twee lagen boornitride te klemmen, dat ook een zeshoekig patroon heeft, ontstaat een moirépatroon. De aanwezigheid van dit patroon gaat gepaard met dramatische veranderingen in de eigenschappen van het grafeen, waardoor wat normaal gesproken een geleidend materiaal zou zijn, in wezen verandert in een materiaal met (halfgeleiderachtige) eigenschappen die geschikter zijn voor gebruik in geavanceerde micro-elektronica.

Dit onderzoek stelt vast hoe het moirépatroon in grafeen kan worden aangepast voor gebruik in technologische toepassingen zoals nieuwe typen communicatieapparatuur, lasers en lichtgevende diodes. “Ons werk heeft de levensvatbaarheid van deze aanpak aangetoond, wat aantoont dat de grafeen / boornitride-sandwich die we bestuderen inderdaad de gunstige eigenschappen heeft die nodig zijn voor micro-elektronica, ” zei Bird.

De halfgeleiderchips in kwestie zijn niet alleen essentieel in smartphones en medische apparaten, maar ook in smarthome-gadgets zoals vaatwassers, stofzuigers en beveiligingssystemen voor thuis. “Moderne technologie vertrouwt op de halfgeleiderchips die het hart van hun systemen vormen en hun werking regelen”, zei Bird. “Als je in je mobiele telefoon praat, is het de chip die je stem omzet in een elektronisch signaal en het naar een toren verzendt.”

De heterostructuur van grafeen / boornitride lijkt eigenschappen te hebben die vatbaar zijn voor engineering. Het ontwikkelen van toekomstige technologie op basis van deze materialen kan afhangen van het ontdekken en benutten van eigenschappen die meer snelheid en functionaliteit mogelijk maken. Bird merkte op dat er meestal een vertraging is tussen een ontdekking, de opwinding over een ontdekking en het realiseren van de belofte van de ontdekking. Grafeen – zo gewoon dat het in elke met potlood gekrabbelde notitie staat – werd pas in 2004 ontdekt.

Bird behaalde een Ph.D. in de natuurkunde, maar hij voelde zich aangetrokken tot elektrotechniek omdat het hem in staat stelde de kwantumfysica te verkennen door middel van onderzoek naar halfgeleiders. Kwantumfysica – “het soort magische fysica dat op atomaire schaal voorkomt”, legde hij uit – kan worden waargenomen door middel van experimenten met technologie die materiaal en processen op atomair niveau onderzoekt.

“We kunnen een systeem laten reageren op acties die we ondernemen, en die reactie weerspiegelt details van de atomaire en kwantumaard van het systeem”, zei hij. Grafeen trok zijn aandacht omdat het een manier bleek te zijn om kwantumeffecten te bestuderen door te werken aan halfgeleiders. Bij UB richtte hij een laboratorium op met de naam NoMaD, waar hij, zijn collega’s en hun studenten ‘kwantumverschijnselen op nanoschaal’ bestuderen. Afgestudeerden zijn doorgegroeid naar een loopbaan bij Intel en IBM, evenals bij andere universiteiten.

In dit onderzoek hebben Bird en zijn team de eigenschappen van grafeen onderzocht binnen een bepaalde limiet die moet worden bereikt om nieuwe technologieën te creëren. De halfgeleiderchipindustrie is een enorme industrie die blijft groeien en nieuwe materialen vereist, nieuwe manieren om bestaande materialen te gebruiken en een nieuw personeelsbestand dat in staat is om beide te ontwikkelen.