Grafeen: de halfgeleider van de toekomst?

Grafeen zou in de toekomst toegepast kunnen worden als halfgeleider in elektronica variërend van touchscreens tot chemische sensoren. Dit blijkt uit nieuwe experimentele resultaten van een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Maryland, onder leiding van professor Michael S. Fuhrer. Eerdere experimenten leidden tot soortgelijke resultaten, maar Fuhrer geeft ook aan dat verder onderzoek noodzakelijk is voordat de halfgeleider daadwerkelijk kan worden toegepast.

Grafeen is een uitgestrekt plat molecuul dat uit aaneengeschakelde koolstofringen bestaat. Het wordt al langer onderzocht als mogelijke vervanger voor silicium: de soortelijke weerstand van de koolstofverbinding bij kamertemperatuur is 35% kleiner dan die van zilver, dat voorheen de kleinst bekende weerstand had. Dit betekent dat grafeen een zeer goede geleider is. De weerstand wordt veroorzaakt door thermische vibraties van atomen, waardoor bewegende elektronen als het ware 'afketsen'. De temperatuur is een maat voor de hevigheid van deze willekeurige vibraties.

De theoretische ondergrens van de weerstand van grafeen is echter nog niet in de praktijk bereikt. De weerstand wordt vooral verhoogd door de onzuiverheid van huidige monsters, waardoor deze minder goed geleiden dan zilver. Het maken van de benodigde grafeenlaag van één atoom dik is dan ook niet eenvoudig. Overigens heeft de koolstofverbinding minder ladingsdragers tot haar beschikking dan zilver: de elektronen in grafeen hebben dus wel een grotere driftsnelheid dan die in zilver.

De driftsnelheid is de gemiddelde nettosnelheid van elektronen door een materiaal onder invloed van een elektrisch veld. Door deze snelheid te delen door de veldsterkte wordt de mobiliteit verkregen, een waarde die (onafhankelijk van de veldsterkte) aangeeft hoe snel elektronen door het materiaal kunnen bewegen. De mobiliteit van grafeen is volgens onderzoek 200,000cm²/Vs bij kamertemperatuur, vergeleken met 1,400cm²/Vs voor silicium. In de praktijk betekent dit dat grafeen-transistors veel sneller kunnen schakelen en dus signalen met hogere frequenties kunnen verwerken.

Maar ook de theoretische bovengrens van de mobiliteit is nog niet bereikt. Omdat grafeenhalfgeleiders uit een enkele laag atomen bestaan, moeten ze op een drager worden aangebracht. Hiervoor wordt momenteel SiO₂ gebruikt, dat de mobiliteit vermindert door thermische vibraties en het vasthouden van lading. Het onderzoek van Fuhrer heeft aangetoond dat de huidige grafeenmonsters 20 keer lagere mobiliteit hebben dan mogelijk is bij kamertemperatuur. Volgens de onderzoekers is het daarom belangrijk om een beter substraat te vinden.

Tags: touchscreen

Plaats op NuJij Plaats op eKudos