Paul van Gerven
11 June 2007

Na buckyballen en koolstofnanobuizen is grafeen de nieuwste koolstofvariant die voor sensatie zorgt. Menig onderzoeker en journalist kandideert de verbinding als dé opvolger van silicium. Twee Nederlandse fysici zien het zo‘n vaart niet lopen. Wel kunnen ze voorlopig nog hun hart ophalen met de atoomdikke koolstofplakjes.

Een rolletje plakband is op zijn tijd heel handig, maar niemand gunt het een belangrijke rol in wetenschappelijke doorbraken. Dit gold niet voor het exemplaar dat een paar jaar geleden in het Engelse laboratorium van Andre Geim slingerde. De wetenschapper gebruikte het huis-tuin-en-keukenhulpmiddel om de laagjes in grafiet van elkaar te scheiden tot hij een atoomdikke laag koolstof overhield. Hij doopte het nieuwe materiaal grafeen. De ontdekking heeft een klein Nederlands tintje omdat Geim vijf jaar in Nijmegen werkte. Hij verwierf daar bij het High Field Magnet Laboratorium enige faam door een kikker in een magneetveld te laten zweven.

Zoals dat schijnt te horen bij de ontdekking van nieuwe koolstofvarianten, dook de rest van de wereld er onmiddellijk op. De zoveelste hype in de elektronica en materiaalkunde was een feit: de onderzoekswereld roemde grafeen als potentiële opvolger van silicium in CMos-technologie. Onzin, of zit er een kern van waarheid in?

Op het eerste gezicht zijn de papieren van grafeen goed. Het materiaal is min of meer vlak en daar valt relatief makkelijk een patroon in aan te brengen met lithografie en etstechnieken. De hele CMos-procesindustrie is er niet voor niets op gebaseerd. In die zin heeft grafeen een streepje voor op zijn ’voorganger‘, de koolstofnanobuis.

Ook de koolstofbuis heeft zijn fifteen minutes of fame gekend. Wetenschappers voeren het nog steeds aan voor een keur aan elektronische toepassingen, hoewel de hype enigszins lijkt te bedaren en er zich gaandeweg meer realistische scenario‘s aftekenen. Hoewel de atomaire rangschikking van koolstofbuizen driedimensionaal is, staan ze juist in de belangstelling als eendimensionale geleiders. Maar onderzoekers kunnen 3D-projecten in de nanowereld veel moeilijker in complexe patronen ordenen. Lithografie kan daarbij niet te hulp schieten.

Grafeen is niet alleen vlak, maar ook dun. Sterker nog, dunner kan het eigenlijk niet. De verbinding is precies een atoomlaag dik. Even afgezien van de ondersteunende materialen – in principe ligt grafeen altijd op een oppervlak – kunnen researchers er daarom in theorie hele dunne schakelingen mee maken.

grafeen1 web.

Delftse onderzoekers slaagden erin grafeen te laten supergeleiden door het materiaal te verbinden met ’gewone‘ supergeleiders.

Watertanden

Ook elektronisch is er reden waarom grafeen in een mum van tijd de headlines heeft gehaald. ’Er is een natuurkundige basis voor. De mobiliteit van de ladingsdragers in grafeen is beduidend groter dan in silicium. Transistoren op basis van grafeen schakelen daarom in theorie zo‘n tien keer sneller dan hun traditionele broertjes‘, zegt fysicus Jan Kees Maan van de Radboud Universiteit Nijmegen. Geim werkte bij hem in de groep voordat hij naar Manchester vertrok.

’Daarbij vertoont het elektrische gedrag van grafeen een heel andere afhankelijkheid van temperatuur. Silicium gaat bij 40 à; 50 graden Celsius intrinsiek geleiden. Grafeen houdt het wel uit tot 300 graden‘, aldus Maan. Dankzij dit gedrag zouden chipmakers zich veel minder het hoofd moeten breken over een nijpend probleem: warmteafvoer. Koelen is nu al een belangrijk punt waar ontwikkelaars zich mee bezig houden. Bij 3D chips, die op het punt van doorbraak lijken te staan, is die kwestie nog meer van belang.

Eerlijk is eerlijk, van deze drie eigenschappen van grafeen zal menig IC-designer watertanden. De chipwereld houdt zich dan ook niet afzijdig en investeert actief in grafeenonderzoek. Bedrijven als IBM en Intel kunnen het zich niet veroorloven om op achterstand te geraken, mocht het materiaal doorbreken. Zij houden meerdere ijzers in het vuur, des te meer omdat de groep van Geim er al in is geslaagd transistoren op basis van grafeen te maken. Vorige maand nog publiceerden de onderzoekers over een verfijnde versie daarvan, eentje die geen stroom lekte.

Desondanks zal niemand het in zijn hoofd halen om te voorspellen dat grafeen binnen enkele jaren gemeengoed is in fabs is. Ook voor Hubert Heersche is dat een uitgemaakte zaak. De Delftse onderzoeker is eerste auteur van een grafeenartikel in Nature, ‘s werelds meest prestigieuze wetenschappelijke periodiek. Op de langere termijn is hij voorzichtiger, al wil hij best een gokje wagen. ’Mijn gevoel is dat grafeen nooit siliciumtechnologie zal vervangen, zelfs als dat technisch mogelijk zou zijn. De cumulatieve investeringen in CMos zijn zo gigantisch, dat haalt grafeen niet zomaar in. Het zal hooguit interessante nichetoepassingen opleveren.‘

Jan Kees Maan, ook goed voor een even prestigieuze Science-publicatie over grafeen, sluit zich hier helemaal bij aan. Hij ziet in de koolstofvariant helemaal geen opvolger van silicium, maar sluit niet uit dat het materiaal ooit als grondstof zal dienen voor geïntegreerde schakelingen. ’Dankzij de unieke eigenschappen zijn specialistische toepassingen op termijn denkbaar. Omdat grafeen zich goed houdt bij hogere temperaturen, zouden researchers er taaie processoren voor industriële omgevingen op kunnen baseren. Ik denk dan aan machines en motoren.‘

Behalve voor IC‘s is grafeen ook een interessante kandidaat voor sensortoepassingen. ’Grafeen is net als een nanodraadje eigenlijk een en al oppervlak, dat heel toegankelijk is voor moleculen. Die kunnen adsorberen aan het grafeen. Dat leidt weer tot een meetbare verandering in de elektrische eigenschappen.‘

Grafeen4 web

Grafeen is kippengaas gemaakt van koolstofatomen. Het is nog niet helemaal duidelijk in hoeverre het materiaal ’kreukelt‘. Illustratie: Chris Ewels

Paardenkop

Voordat er specialistische chips of sensoren op de markt komen met graphene inside, is er nog wel een groot probleem. De Scotch-tapemethode van Geim (zie kader ’Handenarbeid‘) levert grafeenplakjes op van zo‘n tien bij tien vierkante micrometer. Dat is genoeg voor onderzoek, maar bij lange na niet voor serieuze toepassingen. Een verfijndere manier is nog niet van de grond gekomen, al wordt daar wereldwijd hard aan gewerkt. ’Mogelijk is grafeen te maken door precursoren te laten ontleden op een oppervlak. Een laagje siliciumcarbide op een substraat lijkt veelbelovend. Het laten ontleden van een simpel koolstofgebaseerd gas schijnt ook tot de mogelijkheden te behoren‘, zegt Maan, die zich als fysicus niet zo bezighoudt met de synthese.

Ook elektronisch is er een vermeldenswaardig detail. Aan de basis van halfgeleiders staat de bandgap, een energetisch verboden zone voor elektronen. Elke halfgeleider heeft er een en de grootte ervan bepaalt voor een groot deel voor welke toepassingen de halfgeleider geschikt is. Maar grafeen heeft er geen. Grafeen is helemaal geen halfgeleider maar een halfmetaal.

Het is dus noodzakelijk om de bandgap te induceren. Daar zijn verschillende strategieën voor ontwikkeld. Heersche en collega‘s hopen er binnenkort nog eentje aan toe te voegen. ’Het is nog niet gepubliceerd, maar het lijkt gelukt te zijn. We hebben grafeen op een substraat gelegd, de elektrische contacten erop aangesloten en vervolgens met etsen een eendimensionaal circuit gemaakt. Dat gedraagt zich wel als halfgeleider‘, zegt Heersche.

Het is niet verbazend dat het onderzoek in Nederland verder sterk fundamenteel van karakter is. Heersche: ’Voor fysici is het een heel spannend materiaal. Er komen in grafeen een heleboel zaken bij elkaar: een bijzondere bandstructuur, relativistisch gedrag van elektronen, supergeleiding, bijzondere kwantummechanische magnetische effecten bij kamertemperatuur, voor elk wat wils.‘ De aandacht die grafeen in onderzoeksland krijgt, is er kennelijk niet dankzij maar misschien wel ondanks alle bombarie over IC-toepassingen. Alleen de werkelijke reden, dat onderzoekers hun hart verpand hebben aan het materiaal, is veel te moeilijk voor het voetlicht te brengen.

Desondanks kunnen ook de Nederlandse researchers het niet nalaten hun onderzoek te verkopen met een hint richting toepassing. Volgens Maan is er onder Fom-vlag een nationaal programma in de maak met als werktitel ’Towards graphene electronics‘. Voor wie geen insider is: wetenschappers gebruiken ’towards‘ in projectnamen als eufemisme voor ’we weten nog niet wat het gaat opleveren‘. Het is een ongeschreven regel dat hun collega‘s hen er niet op afrekenen en voor de buitenwacht klinkt het aardig.

Toch is een nationaal onderzoeksprogramma geen slecht idee, al was het maar om net als IBM en Intel een ijzertje in het vuur te houden. Bovendien hebben Nederlandse researchers op internationaal niveau heel wat in de melk te brokkelen als het om grafeen gaat. ’Toch aardig dat we met anderhalve man en een paardenkop op het hoogste niveau meedoen‘, aldus Maan. ’Er is al concurrentie genoeg, dus het is een beetje dom om landgenoten nu ook nog het leven zuur te gaan maken. We kunnen dat beter onderling afstemmen.‘