Paul van Gerven
2 May 2012

Een materiaal waar elektronen massaloos en vrijwel ongehinderd doorheen flitsen, dat moest silicium wel van de troon stoten. Na acht jaar onderzoek begint het echter te dagen dat grafeen en digitale logica niet de gedroomde combinatie vormen. De eerste elektronische toepassingen van het ’wondermateriaal‘ zitten in een heel andere hoek.

In de publicatie waarin zij de ontdekking van grafeen wereldkundig maakten, wisten Andre Geim en Konstantin Novoselov al direct aannemelijk te maken dat het moleculaire kippengaas meer in zijn mars had dan alleen de fantasie van academische materiaalonderzoekers prikkelen. Uit de eerste elektrische metingen bleek namelijk dat elektronen zich vrijwel ongehinderd door het materiaal kunnen bewegen. En hoewel grafeen geen band gap heeft, wisten de onderzoekers er toch een primitieve transistor mee te bouwen.

grafeen
Figuur 1: Grafeen wordt vaak voorgesteld als een laken van koolstof, maar dan is het wel een laken waaronder al een keer is geslapen; het is niet vlak.

Neem daarbij de inherente vlakheid – het is in feite een ’vleesgeworden‘ oppervlak: twee zijden, zonder bulk vaste stof ertussen – waardoor grafeen van nature compatibel is met de huidige IC-productiemethodes, en de zeer gunstige temperatuurafhankelijkheid van de geleiding, en de hoop op een elektronische revolutie is geboren. Die hoop is al snel een eigen leven gaan leiden, hoewel de ervaringen met de vorige koolstofsmaak du jour nog vers in het geheugen moeten hebben gelegen. ’Naar analogie met koolstofnanobuisjes zouden niet-transistorapplicaties dit atomair dunne materiaal de meest opzienbarende toepassingen kunnen opleveren‘, waarschuwden Geim en Novoselov tevergeefs in hun baanbrekende Science-artikel, gepubliceerd in 2004.

Op hype volgt desillusie, waarna nuchtere geesten meestal weer de overhand krijgen. Grafeen heeft door de Nobelprijs 2010 nauwelijks de kans in een louterend zwart gat te verdwijnen, maar de verwachtingen voor het bijzondere materiaal staan desalniettemin weer met beide benen op de grond, constateerde Nature in een recente editie. De digitale dromen zijn overboord gekieperd, maar de interesse in analoge en andere toepassingen neemt toe.

Opgepept

Zuiver grafeen (Figuur 1) is een halfmetaal, een halfgeleider met een band gap van nul. Om een veldeffecttransistor (Fet) te maken, is die eigenschap desastreus, omdat er geen manier is om de schakeling uit te zetten. Er blijft dus altijd stroom lopen, en flink wat ook. De beste verhouding tussen de aan- en uit-stroom in een grafeen-Fet die tot nu toe is gemeten, bedraagt niet meer dan tien. Een siliciumschakeling haalt vele ordegroottes meer. Met andere woorden: een mobieltje met een processor van grafeen zou in een mum van tijd door zijn accu heen zijn.

Onderzoekers hebben het probleem van zeer slechte aan-uitverhoudingen van meet af aan onderkend, maar te makkelijk aangenomen dat ze er een mouw aan konden passen. Door grafeen in reepjes te snijden, er gaatjes in te schieten of er chemicaliën aan te hechten (dotering), bleek het weliswaar mogelijk een band gap te induceren, maar het eindresultaat was desalniettemin onbevredigend. Als de atomaire honingraatstructuur van grafeen te veel werd aangetast, kregen de eigenzinnige grafeenelektronen namelijk hun massa terug en gingen ze zich weer gedragen alsof ze zich in een doodnormale verbinding bevonden. De fraaie elektrische eigenschappen gingen daarmee verloren. Enkele modificaties die niet onder dit euvel lijden, lijken dan weer niet geschikt voor massaproductie, althans niet binnen afzienbare tijd.

Het ziet er dus naar uit dat wetenschappers zich hebben laten verblinden door één prachtige eigenschap – de supermobiliteit van de elektronen – terwijl in werkelijkheid een veelheid aan randvoorwaarden bepaalt of een vondst praktisch nut heeft. Ook halfgeleiders als galliumarsenide en germanium verslaan silicium op mobiliteit, maar leiden tot nu toe slechts een nichebestaan.

Nu heeft niemand ooit gezegd dat het makkelijk zou zijn, maar steeds minder grafeenonderzoekers vinden het tegenwoordig nog de moeite waard om grafeen in een digitaal keurslijf proberen te dwingen. Dat is niet per se een kwestie van de moed opgeven; er is gewoon voldoende kennis en ervaring opgebouwd om te begrijpen waaróm grafeen zo halsstarrig is.

Bovendien zijn er inmiddels materialen gevonden die grafeen naar de kroon steken. Het meest veelbelovend is molybdeniet (MoS2), een tweedimensionaal materiaal met vergelijkbare elektronmobiliteit als grafeen, maar dan wél met een aanzienlijke band gap (1,8 eV, tegen 1,1 eV van silicium). De eerste de beste schakeling van molybdeniet (Figuur 2) had een aan-uitverhouding van 108. In een vervolgonderzoek slaagde het mineraal met vlag en wimpel voor integratie in grote digitale circuits: inverter-IC‘s op basis van MoS2 hadden een versterkingsfactor van vier. Bij een gain van minder dan een sterft het signaal na elke schakeling een beetje af en is een groot circuit alleen mogelijk bij heel hoge inputstroom.

Molybdeniet
Figuur 2: In tegenstelling tot grafeen heeft molybdeniet (MoS2) een band gap, waardoor het op papier een betere kandidaat is om een Fet mee te maken.

Grappig genoeg kan juist molybdeniet grafeentransistoren beter laten presteren, blijkt uit zeer recent werk van Geim en collega‘s. Daarvoor moet de Fet-opbouw wel worden ingewisseld voor een bipolair transistormodel. Als in een clubsandwich van gestapelde dunne lagen MoS2, grafeen, MoS2, grafeen en weer MoS2 een spanning op één grafeenlaag wordt aangebracht, beginnen de aldus opgepepte elektronen door de MoS2-barrière te tunnelen naar de andere grafeenlaag. Tunnelen is van nature een heel snel proces en dus biedt deze structuur perspectief op zeer snelle schakelingen. De aan-uitverhouding is met tienduizend ook een stuk beter dan ooit voor een grafeen-Fet is behaald. Ongeveer gelijktijdig verscheen onderzoek van de University of Arizona waarin de elektronenstroom in grafeen met een laag boornitride kon worden beïnvloed.

Nederig

In dit recente werk wordt niet meer gehint op digitale toepassingen voor grafeen, maar op analoge. De hoge frequenties waarbij grafeen in theorie kan opereren en de compatibiliteit met silicium en vele andere materialen bieden interessante perspectieven voor bijvoorbeeld militaire en communicatietoepassingen. In de regel zijn dat de domeinen waar III-V-halfgeleiders heer en meester zijn, dus misschien zijn het juist die verbindingen, en niet silicium, die zich moeten hoeden voor concurrentie van grafeen.

Een van de eersten die het roer omgooide naar analoge communicatie was Phaedon Avouris, groepsleider van een nano-elektronische onderzoeksgroep bij IBM Research. In 2010 zette hij het snelheidsrecord voor een RF-grafeentransistor op zijn naam: 100 GHz. Dat is tien keer zo veel als de allerbeste siliciumschakeling, maar nog ver weg van het terahertzdomein dat haalbaar is met III-V-materialen. Collega‘s van de University of California te Los Angeles trokken het record op naar 300 GHz, en het afgelopen jaar druppelden uit verschillende hoeken allerlei grafeengebaseerde functionele componenten, zoals mixers, naar buiten.

Maar er zit nog een kink in de kabel. Analoge grafeenschakelingen genereren bij hoge frequenties een dermate zwak signaal dat het wordt overstemd door ruis. Onduidelijk is of dit net zo‘n showstopper is als het ontbreken van een band gap, of dat het met slimme engineering te omzeilen valt. Op de keper beschouwd, presteert grafeen op dit moment echter niet veel beter dan silicium.

Afgezet tegen een ander type materiaal is grafeen nu al wél aantrekkelijk: organische elektronica. De lage mobiliteit van ladingsdragers in organische geleiders is berucht, dus grafeen hoeft bij lange na niet op de top van zijn kunnen te presteren om het beter te doen, en een dunne laag van de koolstofallotroop is bovendien net als plastic flexibel. Meadwestvaco, een grote Amerikaanse fabrikant van verpakkingsmaterialen, buit deze eigenschappen uit in een geleidende inkt voor een radiografisch anti-diefstalsysteem. Organische inkten geleiden (nog) niet goed genoeg voor deze toepassing, terwijl bijvoorbeeld zilvergebaseerde te duur zijn om op elke doos aan te brengen.

Grafeen verlaat dus wel degelijk voetje voor voetje het lab, maar komt in eerste instantie terecht in elektronische toepassingen die nogal nederig aandoen vergeleken bij de grootse vergezichten van enkele jaren geleden. Naarmate het aantal toepassingen toeneemt, ook in andere vakgebieden waar grafeen de aandacht heeft getrokken (composieten, sensoren, nanoporiën voor scheidingstechnologie), zal hun raffinement allicht ook toenemen.

Daarmee volgt grafeen eigenlijk dezelfde weg als silicium, signaleerde Nature-redacteur Michael Segal. Voordat dit metaal zijn sterrenstatus als halfgeleidersubstraat kreeg, was het ook eerst gebruikt voor een bescheidener elektronische toepassing – gelijkrichters voor radar. Daarvóór was het een goedkope legeringscomponent in de staal- en aluminiumindustrie en een loodvervangend pigment in de verfindustrie. Zonder de ervaringen en kennis die in deze toepassingen zijn opgedaan, was silicium wellicht nooit zo beroemd geworden. Voor grafeen beginnen die vormende jaren nu pas.