Ultradunne stroomdraden van grafeen

Scheikundigen van de Universiteit Utrecht zijn er in geslaagd om elektrisch contact te maken met minuscule grafeendraden via één enkele chemische verbinding. Met alsmaar ingewikkelder wordende elektronica is betere stroomgeleiding een vereiste. Hun resultaten worden op 12 juni gepubliceerd in het vooraanstaande wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Grafeen, een tweedimensionaal netwerk van koolstofatomen in honinggraatstructuur, is door zijn unieke elektrische eigenschappen een veelbelovend materiaal voor gebruik in toekomstige computers. De Nobelprijs voor Natuurkunde werd in 2010 toegekend aan de ontdekkers van dit materiaal, en onlangs verdiende onderzoek naar dit nanomateriaal een Spinozapremie. Om een op grafeen gebaseerde computer te maken zullen minuscule grafeendraden gebruikt moeten worden met afmetingen die smaller zijn dan tien nanometer (nm). Een enkel atoom is slechts 0,2 nm groot, dus zo’n grafeendraad zal niet breder zijn dan enkele atomen. Het is dus van belang om een goede manier te vinden om elektrisch contact met die draden te maken.

Eén binding

Dr. Ingmar Swart is er, in samenwerking met zijn team van het Debey Instituut voor Nanomaterialen van de Universiteit Utrecht en collega’s van de Aalto Universiteit in Finland, in geslaagd om een elektrisch contact te maken met een grafeendraad via één enkele chemische verbinding. Joost van de Lit, de promovendus die de meeste metingen heeft verricht, legt uit waarom bijvoorbeeld solderen niet werkt: ‘Omdat de deeltjes zo klein zijn, kun je niet simpelweg een soldeerbout gebruiken om de draden elektrisch te verbinden. In plaats daarvan gebruiken we chemische bindingen.’

Grote precisie

Voor onderzoek naar nanomaterialen is een grote precisie nodig. Swart en zijn team bereikten dat door gebruik te maken van een scanning tunneling microscoop (STM) en een atomaire kracht microscoop (AFM). De AFM meet de minuscule kracht tussen een zeer scherpe naald en de atomen van het grafeen. Zo kan het apparaat de structuur van de nanodraden met atomaire precisie meten. ‘Wanneer we een voltage aanleggen tussen de naald en het oppervlak waarop de draden liggen, kan er een klein stroompje gaan lopen’, vertelt Swart. ’Door dit stroompje te meten kunnen we de elektrische eigenschappen van de draad bepalen. Door de naald vervolgens boven een bepaald atoom te positioneren en een korte spanningspuls te geven konden we een chemische binding maken op een door ons gekozen positie’.

‘Door AFM en STM te combineren zijn we in staat om de nanodraden op atomaire schaal te kunnen bekijken’, vervolgt Swart. ‘Dat is essentieel om de relatie tussen hoe de atomen aan elkaar gebonden zijn en de elektrische eigenschappen te begrijpen.’

Toekomst

Swart vergeleek zijn resultaten met theoretische berekeningen die aan de Aalto Universiteit in Finland werden gemaakt. Volgens dr. Ari Harju, die de Finse onderzoeksgroep leidt, is dit voor hen een uitstekende gelegenheid om hun nieuwe theorieën te vergelijken met experimenteel onderzoek waarbij de moleculaire structuren duidelijk gedefinieerd zijn.

Door deze samenwerking kon Swart de precieze invloed van de binding op de elektrische eigenschappen bepalen. Opmerkelijk genoeg beïnvloedt de chemische binding de unieke elektrische eigenschappen van de nanodraden niet. Bovendien bleken de draden door het maken van een binding veel minder sterk op te warmen tijdens het gebruik. Dat komt de efficiëntie van op grafeen gebaseerde elektronica ten goede. Swart: ‘Apparaten worden in de toekomst steeds sneller en geavanceerder en de halfgeleiders die we nu gebruiken houden dat niet lang meer bij. Nieuwe materialen met betere stroomgeleiding zijn daarom hard nodig.’

Dit onderzoek is onder meer gefinancierd door NWO, Academy of Finland, ERC en FOM.