Neue Methode zur Charakterisierung von Graphen

Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, um die Eigenschaften von Graphen ohne das Anlegen störender elektrischer Kontakte zu charakterisieren. Damit lassen sich gleichzeitig der Widerstand und die Quantenkapazität von Graphen sowie von anderen zweidimensionalen Materialien untersuchen. Dies berichten Forscher vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel im Wissenschaftsjournal «Physical Review Applied».

Die in Bornitrid (blau) eingebettete Graphenschicht (schwarze Wabenstruktur) wird auf einen Supraleiter platziert (grau) und dadurch mit einem Mikrowellenresonator verbunden. Durch den Vergleich der Mikrowellensignale (RF) können Widerstand und Quantenkapazität des eingebetteten Graphens ermittelt werden. (Bild: Universität Basel, Departement Physik/Swiss Nanoscience Institute)

Graphen besteht aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen. Es ist transparent, härter als Diamant, stärker als Stahl, dabei aber flexibel und ein deutlich besserer elektrischer Leiter als Kupfer. Seit Graphen 2004 erstmals hergestellt wurde, erforschen Wissenschaftler weltweit die Eigenschaften und die Einsatzmöglichkeiten des ultradünnen Materials. Inzwischen existieren weitere zweidimensionale Materialien, für die es ebenfalls vielversprechende Anwendungsbereiche gibt, deren elektronische Struktur jedoch kaum untersucht ist.

Keine elektrischen Kontakte nötig
Um die elektrischen Eigenschaften von Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien zu charakterisieren, werden meist elektrische Kontakte angebracht, die jedoch die Materialeigenschaften stark verändern können. Das Team um Professor Dr. Christian Schönenberger vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel hat nun eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Eigenschaften ohne das Anlegen von Kontakten untersuchen lassen.

Die Wissenschaftler haben dazu Graphen in den Isolator Bornitrid eingebettet, auf einen Supraleiter platziert und dadurch mit einem Mikrowellenresonator verbunden. Sowohl der elektrische Widerstand wie auch die Quantenkapazität von Graphen beeinflussen den Resonator in Bezug auf Gütefaktor und Resonanzfrequenz. Obwohl diese Signale sehr schwach sind, lassen sie sich mittels supraleitender Resonatoren erfassen.

Aus dem Vergleich der Mikrowelleneigenschaften des Resonators mit und ohne eingebettetem Graphen können die Wissenschaftler sowohl den elektrischen Widerstand als auch die Quantenkapazität bestimmen. «Um die Eigenschaften von Graphen genau kennenzulernen und auch limitierende Faktoren für den Einsatz zu erfassen, sind diese Parameter wichtig», erklärt Simon Zihlmann, Doktorand in der Gruppe Schönenberger.

Auch für andere zweidimensionale Materialien geeignet
Bei der Entwicklung der Methode diente das in Bornitrid eingefügte Graphen als Modellmaterial. Graphen, das in andere Träger integriert ist, lässt sich so ebenfalls untersuchen. Zudem können damit auch andere zweidimensionale Materialien ohne elektrische Kontakte charakterisiert werden wie zum Beispiel das Halbleitermaterial Molybdändisulfid, das in Solarzellen und optischen Anwendungen einsetzbar ist.

 

Originalbeitrag
V. Ranjan, S. Zihlmann, P. Makk, K. Watanabe, T. Taniguchi, and C. Schönenberger
Contactless Microwave Characterization of Encapsulated Graphene p-n Junctions
Physical Review Applied (2017) | doi: 10.1103/PhysRevApplied.7.054015

Weiterführende Links
Forschungsgruppe Prof. Christian Schönenberger