Dotierte Graphenbänder hergestellt

Eine Schicht aus Graphen besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit. In Form eines nanometerbreiten Bandes wird die zweidimensionale Kohlenstoffstruktur jedoch zum Halbleiter. Einer Forschergruppe um Jingming Cai von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt ist es gelungen, solchen Bändern ein transistorähnliches Verhalten zu verleihen, indem sie Segmente mit verschiedenen Halbleitereigenschaften zusammenfügten. Ihre Studie veröffentlichen sie im Fachjournal „Nature Nanotechnology“.

Schmales, zweidimensionales Gitter aus sechseckigen Bausteinen. Manche Bausteine haben eine andersartige Elementzusammensetzung.
Illustration des Übergangs

Im Jahr 2010 hatten die Forscher bereits eine Methode entwickelt, ultraschmale Graphenbänder auf einer Unterlage aus Gold selbstorganisiert wachsen zu lassen, anstatt sie aus einer großen Fläche auszustanzen. In der beinahe eindimensionalen Geometrie eines Streifens sind die Elektronen des Materials stärker gebunden und können nicht ohne Weiteres zum Stromfluss beitragen. Stattdessen hatte sich der Graphenstreifen wie ein Halbleiter verhalten.

Nun machten sich Cai und seine Kollegen daran, mit dieser Methode ein wichtiges elektronisches Bauteil der Halbleitertechnologie zu realisieren: den Transistor. Ein Transistor dient als Schalter und Gleichrichter, der Strom in nur eine Richtung fließen lässt und das nur, wenn eine Spannung anliegt. Dazu brachten die Wissenschaftler an genau definierten Positionen Stickstoffatome in das Kohlenstoffgitter ein. Anschließend fügten sie ein Streifensegment aus reinem Graphen mit einem zusammen, das Stickstoff enthielt. Durch das sogenannte Dotieren – dem Einbringen der Fremdatome – veränderte sich der Mechanismus der elektrischen Leitung: Wo sich die Stickstoffatome befanden, leiteten Elektronen den Strom, während im Bereich reinen Graphens effektiv die Löcher – Stellen, an denen ein Elektron fehlt – wanderten.

Die so entstandene Übergangszone ist zwar noch kein kompletter Transistor, aber immerhin dessen Kernbestandteil. Verglichen mit den weitverbreiteten elektronischen Bauteilen aus Silizium könnten solche aus halbleitenden Graphenbändern kleiner, energieeffizienter und schneller gestaltet werden.