Paul van Gerven
10 February 2009

Gedreven door toepassingen in de elektronica staat grafeen onverminderd in de belangstelling van de onderzoeksgemeenschap. Drie ontwikkelingen in de recente onderzoeksgeschiedenis van het ’wondermateriaal‘ trekken de aandacht: een Amerikaanse start-up die er elektrodes voor condensatoren mee wil maken, een synthesemethode die zicht biedt op ’plakken‘ grafeen ter grootte van een wafer, en een halfgeleidend broertje van grafeen.

Om met de laatste ontwikkeling te beginnen: grafaan ontstaat wanneer grafeen wordt blootgesteld aan een waterstofplasma. Dat ontdekte een internationaal samenwerkingsverband waarin de Radboud Universiteit Nijmegen is vertegenwoordigd. Alle koolstofatomen binden daarbij een waterstofatoom, die afwisselend boven en onder het vlak uitsteken. De koolstofatomen nemen daarbij een vergelijkbare positie aan als in diamant, een isolerend materiaal met een zeer grote band gap. In grafaan valt de band gap echter af te regelen via de hoeveelheid gebonden waterstof.

Het is dus mogelijk een halfgeleidende versie van grafeen te maken. Dat was nou net wat er nog aan ontbrak. Zuiver grafeen heeft geen band gap, zodat je er ook geen transistor op kunt baseren – die zou je immers nooit aan en uit kunnen zetten. Een andere mogelijkheid is om het grafeen in uiterst smalle reepjes te snijden, maar een gecontroleerde reactie met waterstof (hydrogenering) lijkt veel praktischer. Door een stukje grafeenwafer onbehandeld te laten, ontstaat een uitstekende geleider (voor de interconnecties), terwijl partiële en volledige hydrogenering respectievelijk een halfgeleider (voor de transistoren) en een isolator geven (voor de isolerende lagen tussen de verschillende onderdelen).

Dan heb je wel een grafeenwafer nodig. Probleem is dat het oppervlak van stukjes grafeen voorlopig nog wel in vierkante micrometers wordt gemeten. Een Amerikaans-Duits team lijkt echter iets op het spoor. Het ontdekte dat grafeen in relatief grote stukken groeit door siliciumcarbide te ontleden onder bijna atmosferische druk. De onderzoekers toonden bovendien aan dat hun proces met andere, slim gekozen substraten wel eens tot volledig bedekte wafers zou kunnen leiden.

Grafaan
Grafaan is in tegenstelling tot grafeen wél halfgeleidend. Foto: P. Huey/Science.

Een toepassing die veel dichter bij de commercie staat, is grafeen als elektrodemateriaal. Dat hoopt althans het in december opgerichte Amerikaanse bedrijf Graphene Energy, dat als eerste munt hoopt te slaan uit het moleculaire kippengaas. Grafeen zou een goede vervanger zijn van actief koolstof, dat wordt toegepast in batterijen en condensatoren. Grafeenelektrodes hebben potentieel een groter oppervlak dan actief koolstof.

Het grafeen voor elektrodes hoeft niet per se de perfecte homogene monolaag te zijn die elektronici graag zouden hebben, maar om grote delen van het oppervlak niet af te sluiten, moet Graphene Energy een manier bedenken om grafeenplakken netjes te ordenen. Vergelijk het met het beschikbare oppervlak van in elkaar gepropte vellen papier en dat van een rij papieren vellen die op hun kant staan, met onderlinge tussenruimte. Ladingsdragers kunnen in de tweede optie veel meer oppervlak bereiken. Net als de vorige twee voorbeelden geldt hierbij dat het vooral synthetische methodologie is die nog moet worden ontwikkeld.