Grafeen is al lange tijd een veelbelovend materiaal. Het is slechts één atoomlaag dun en bestaat uit koolstofatomen gerangschikt in een zeshoekig patroon. Dit atomaire kippengaas heeft bijzondere eigenschappen die kleinere en snellere computers mogelijk maken.
Maar grafeen miste een cruciale eigenschap: je kan het niet eenvoudig aan- en uitzetten. Een internationale groep presenteerde woensdag in Nature grafeen waarmee dit wel kan.
Grafeen maakt efficiëntere elektronica mogelijk omdat elektronen er razendsnel doorheen kunnen bewegen. Ook is het robuust. Je kunt er flinke elektrische stromen doorheen jagen zonder dat het opwarmt of kapot gaat. Dat maakt het een ideale opvolger voor silicium, dat zijn grens begint te bereiken.
Voor elektronica heb je halfgeleiders nodig, zoals silicium. Dit zijn materialen die wel of geen stroom geleiden, afhankelijk van de omstandigheden. Halfgeleiders kun je daarom gebruiken als schakelaartjes (transistors) die je aan en uit kunt zetten. Dat is mogelijk dankzij de zogeheten band gap – het verschil tussen twee energiebanden waarin elektronen in het materiaal kunnen bewegen. Als elektronen genoeg energie hebben dan zitten ze in de hoge band en gedraagt de halfgeleider zich als een geleider. Bij minder energie zitten ze in de lage band en is het een isolator.
Laten groeien
„De band gap is als een dam in een rivier”, mailt Walter de Heer van de Amerikaanse universiteit Georgia Tech, die het onderzoek leidt. „Als het waterniveau [de elektronenergie] lager is dan de dam, dan stopt het water. Is het waterniveau hoger dan kan het doorstromen.” Door een elektrisch veld aan te leggen kun je de positie van de energiebanden veranderen om zo de schakelaar aan of uit te zetten. Met dat elektrische veld kun je dus als het ware de dam hoger of lager maken.
Van grafeen kun je een halfgeleider maken door het te laten groeien op het materiaal siliciumcarbide. Deze techniek bestaat al langer, maar levert meestal een rommelig laagje op. De Heer ontwikkelde met zijn groep een techniek om een onberispelijk laagje te maken. Daarvoor verhitten ze siliciumcarbide stapsgewijs tot 1.600°C. Dit levert een enkel laagje grafeen op waarin elektronen tien keer sneller bewegen dan in silicium.
Mazhar Ali en Herre van der Zant van de TU Delft, die niet betrokken waren bij het onderzoek, noemen het resultaat een mooie en belangrijke stap. „Ik vind het een verrassing”, zegt Van der Zant. „Ik dacht dat alles al geprobeerd was, maar dit laat zien dat het toch mogelijk is.”
Ze benadrukken dat er nog stappen nodig zijn. „Als je er bijvoorbeeld computerchips van wilt maken, dan moet je het verbinden met andere materialen”, zegt Ali. „Dat zorgt er nu voor dat de elektronen veel trager zijn dan in los grafeen.”
Volgens De Heer zal het nog lang duren voordat je een computer kunt kopen met grafeenchips. „Voor mij is dit als het moment waarop de gebroeders Wright de eerste vlucht maakten [in 1903]. Het kostte vervolgens nog ongeveer 35 jaar totdat de eerste commerciële vlucht over de Atlantische Oceaan plaatsvond.”
