Graphen – Jahrhundert-Entdeckung: Revolution in der Mikroelektronik?

Superlative:

„Graphen ist das stabilste Material, was je getestet wurde“
„Es gibt kein anderes Material, das bei Raumtemperatur so leitfähig ist.“
„Es hält 1.000.000 Mal höhere Ströme aus als Kupfer“
„Graphen leitet Wärme besser als Diamanten“
„Fester als Diamant, aber flexibel“

http://www.myvideo.de/watch/6298437/Graphen_Jahrhundert_Entdeckung_Revolution_in_der_Mikroelektronik

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Graphen-Elektronik auf dem Vormarsch

Schnelle Schaltkreise aus Graphen

Mit dem als einlagige Kohlenstoffschicht bekannten Graphen gelang es IBM-Forschern die bisher schnellsten Schaltkreise zu entwickeln. 10 Gigahertz erreicht das ultradünne Kohlenstoff-Material im Demo-Chip und hat damit großes Potential als Elektronikbauteil in Mobilgeräten zum Einsatz zu kommen. Nicht nur schneller, sondern auch sparsamer werden die Radiosignale im Chip der drahtlosen Geräte verarbeitet. Die Messungen ergaben außerdem, dass sich die Elektronen rund 30 Mal schneller in Graphen als in Silizium bewegen. Mit dieser Arbeit gelang es den Forschern endlich, das Material in herkömmliche Fertigungsprozesse zu integrieren und die Graphen-Elektronik voranzubringen. (24.06.11, Quelle: Heise)

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Substrat-Elektrode bringt Graphen-Elektronik näher

Kommerziell nutzbare Elektronik-Bauteile aus dem möglichen Silizium-Nachfolger Graphen rücken näher: Forschern der Universität Erlangen-Nürnberg ist es gelungen, Graphen durch Manipulation des Siliziumkarbid-Substrats mit Steuerelektroden zu versehen.

Graphen gilt wegen seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften als eines der vielversprechendsten neuen Materialien. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben jetzt ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, Bauelemente aus Graphen mithilfe einer integrierten Elektrode gezielt anzusteuern – eine wichtige Voraussetzung für industrielle Anwendungen.

Ihre Forschungsergebnisse zu Graphen haben Prof. Heiko Weber, Daniel Waldmann, Johannes Jobst, Michael Krieger vom Lehrstuhl für Angewandte Physik und Prof. Thomas Seyller und Florian Speck vom Lehrstuhl für Technische Physik jetzt in der renommierten Zeitschrift „nature materials“ publiziert.

Graphen besteht aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, die in einem aus Sechsecken zusammengesetzten Netzwerk so angeordnet sind, dass sie den ersten wahrhaft zweidimensionalen Festkörper bilden. Graphen begründet damit eine neue Klasse von Materialien.

Seine Entdeckung im Jahre 2004 hat zu weltweiten Forschungsaktivitäten geführt, die nur mit denen anlässlich der Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter vergleichbar sind. 2010 wurde die Entdeckung von Graphen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die Begeisterung der Wissenschaftler für dieses neue Material nährt sich aus den für einen Festkörper völlig neuen elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften des Graphens.

Um das große Potenzial von Graphen für elektronische Anwendungen nutzen zu können, ist die Schichtherstellung in hoher Qualität auf kristallinen Halbleiterscheiben – so genannten Wafern – sehr wichtig. Hier konnten Forscher der FAU einen bedeutenden Beitrag leisten: Prof. Dr. Thomas Seyller hat 2009 ein Verfahren entwickelt, mit dem Graphen in höchster Qualität auf Siliziumkarbid-Kristallen synthetisiert werden kann.

(Peter Koller, http://www.elektronikpraxis.vogel.de/hardwareentwicklung/articles/310814/)

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Graphen: Nobelpreis-Material der Zukunft

Kohlenstoff oder neudeutsch Karbon ist ein technisches In-Thema von Physik und Werkstofftechnik der letzten Jahre. Neben Kohlenstoff-Faser-Verbundwerkstoffen, die im Flugzeugbau und neuerdings auch im Fahrzeugbau schon fast Alltag sind, wurde schon vor 14 Jahren für Fullerene ein Nobel-Preis fällig. Und am Dienstag wurde von der schwedischen Akademie der Wissenschaften bekannt gegeben, dass mit Graphen eine weitere Kohlenstoff-Struktur als preiswürdig erachtet wurde. Was also macht diese Kohlenstoff-Materialien so besonders? Und welche Bedeutung hat Graphen für die Elektronik?

Das Besondere liegt in mindestens drei Aspekten. Ganz allgemein glänzen Kohlenstoff-Werkstoffe durch ihre herausragenden physikalischen Eigenschaften wie extreme Härte, Zugfestigkeit sowie durch ein spezielles Verhalten bei der Stromleitfähigkeit. Außerdem galt die Herstellung von einlagigen (zweidimensionalen) hexagonal geordneten Kohlenstoffschichten „früher“ aus thermodynamischen Gründen als unmöglich. Es war also etwas ganz Besonderes, als es Konstantin Novoselov und Andre Geim im Jahre 2004 gelang, Schichten einlagiger Kohlenstoffgitter tatsächlich herzustellen. Fast unglaublich war die profane Methode: Mit Hilfe von Klebeband, das von einem Stück Graphit abgezogen wurde, konnten mehrlagige Graphitschichten erzeugt werden. Wurde auf dieses Stück Klebeband wiederum mehrfach anderes Klebeband aufgedrückt und abgezogen, resultierten immer dünnere bis hin zu einlagigen Schichten. Und die nachfolgenden weltweiten Experimente mit diesem Material zeigten, dass Graphen entlang der beiden Flächenachsen extrem hart und geradezu unglaublich reißfest war.

Selbstverständlich begannen sofort auch Experimente bei Halbleiterherstellern; und man kann heute damit tatsächlich halbleitende Materialien herstellen. Der entscheidende Vorteil gegenüber dem etablierten Silizium ist die sehr viel höhere praktische Grenzfrequenz der damit realisierbaren Transistoren. Während bei Silizium aktuell bei etwa 5 GHz Schluss ist, rechnet man bei Graphen mit einer praktischen Grenzfrequenz von unglaublichen 1 THz! Und IBM gelang es schon im Februar dieses Jahres, einen Graphentransistor bei 100 GHz zu betreiben. Hier steckt also die wahre Potenz von Graphen und folglich ist der am 5.10. verkündete Nobelpreis für Physik 2010 vollkommen adäquat. (http://www.elektor.de/elektronik-news/graphen-nobelpreis-material-der-zukunft.1560094.lynkx)

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Erstmals Elektronenüberschuss-Halbleiter auf Graphen-Basis realisiert

Ein US-Forscherteam unter Leitung der Stanford University hat einen wichtiger Erfolg auf dem Weg zur praktischen Anwendung des atomdicken Kohlenstoff-Materials Graphen in der Elektronik erzielt.

Den Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, aus Graphen einen n-leitenden Transistor herzustellen, der dank einem Elektronenüberschuss funktioniert. Dazu wurde das Graphen mit Ammonium-Gas behandelt, um diese Halbleitereigenschaft zu erzielen.

„Da wird Chemie verwendet, um eine der großen Herausforderungen in der Elektrotechnik auf kleiner, nanoskaliger Ebene zu bewältigen“, sagt der am Projekt beteiligte Jing Guo, Assitenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der University of Florida (UF). Die Entwicklung könnte den Weg zu leistungsfähigeren, kompakteren Computerchips weisen.

Graphen ist ein Material, an dessen Anwendung intensiv geforscht wird und Wissenschaftler haben beispielsweise schon Speicherchips auf Graphen-Basis entwickelt (pressetext berichtete: http://pressetext.com/news/081222002/). Der neue Transistor ist laut UF insofern von großer Bedeutung, da bislang nur p-leitende Halbleiter aus Graphen realisiert wurden, also solche, die durch einen Elektronenmangel funktionieren. „Unsere Arbeit zeigt im Prinzip eine neue Methode auf, ein Graphen-Nanoband leitfähig zu machen“, sagt Gao.

Damit werde eine fundamentale Voraussetzung dafür erfüllt, Graphen für die Herstellung von Elektronik nutzbar zu machen. Denn mit dem n-leitenden Transistor hat das Forscherteam den notwendigen zweiten Grundbaustein für die Anwendung realisiert, so die UF. Damit ist Graphen ein Kandidat, die Miniaturisierung der Elektronik nach Ende der Silizium-Ära weiter voranzutreiben.

„Es wird in alle möglichen Richtungen versucht, was man mit Graphen machen könnte. Bei dieser Arbeit geht der Versuch in die richtige Richtung“, meint Andre Geim, Physiker an der University of Manchester http://www.man.ac.uk und 2004 Entdecker des Materials, gegenüber pressetext. Während die Physik von Graphen inzwischen einigermaßen gut erforscht sei, wisse man über chemische Eigenschaften trotz bisheriger Experimente noch relativ wenig. „Das US-Team zeigt, dass man Graphen wirklich durch eine chemische Reaktion mit Ammonium verändern kann, in diesem Fall speziell um Transistoren herzustellen“, sagt der Wissenschaftler.

In der Entwicklung steckt also großes Potenzial. „Es gibt aber noch große Herausforderungen dabei, unsere Arbeit wirklich in Produkte einfließen zu lassen“, betont jedoch Guo. Dazu zählt beispielsweise die Massenfertigung von Graphen-Halbleitern. Auch sei das Material noch so teuer, dass die Kosten erheblich reduziert werden müssten, so die UF. „Diese Arbeit ist erst der Anfang“, sagt daher auch Hongjie Dai, Chemieprofessor in Stanford und Leiter des Forscherteams. Ob Graphen tatsächlich die Zukunft der Elektronik nach dem Silizium-Zeitalter sein werde, könne noch gar nicht recht abgeschätzt werden, meint wiederum Gaim. „Die Graphen-Chemie – und hier ist die Arbeit von Dais Team ein wichtiger Schritt – kann wohl interessantere und unmittelbarere Anwendungen eröffnen als ultra-winzige Transistoren“, glaubt der Wissenschaftler. (Thomas Pichler | Quelle: pressetext.austria ; http://www.innovations-report.de/html/berichte/energie_elektrotechnik/kohlenstoff_zukunft_elektronik_rueckt_naeher_132305.html)

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Flexible Touchscreens – Graphen-Elektronik wird greifbar

Dank eines neuen Verfahrens rückt die Zukunftsvision des zusammenrollbaren Computers in greifbare Nähe: Koreanischen Forschern ist es jetzt erstmals gelungen, großflächige Blätter aus Graphen kosteneffizient und industrietauglich herzustellen.  (Spektrum.de; http://www.wissenschaft-online.de/alias/flexible-touchscreens/graphen-elektronik-wird-greifbar/1037071

 

 

Flexibler Touchscreen Das Team um Jong-Hyun Ahn und Byung Hee Hong von der Sungkyunkwan-Universität in Suwon konstruierte sogar umgehend einen funktionierenden Touchscreen aus der selbst hergestellten Graphenfolie.   Computerhersteller sehen in dem Material einen Nachfolger für das spröde und vergleichsweise langsame Silizium. Aber praktikable Anwendungen waren, trotz der seit Jahren geschürten Hoffnungen, lange Zeit nicht in Sicht.   Bei Graphen verbinden sich reine Kohlenstoffatome zu einer einzelnen, nur ein Atom dicken Lage miteinander. Das verleiht ihm elektrische Leitfähigkeit und eine extrem hohe Lichtdurchlässigkeit. Allerdings ließ sich Graphen bislang nur durch wenig praktikable Verfahren herstellen. Für die Zwecke der Elektronik taugliche Stücke maßen in der Regel nur selten mehr als ein paar Zentimeter.   Nun stellten die Wissenschaftler rechteckige Graphenbögen mit einem Durchmesser von 76 Zentimetern her. Aber das Verfahren sei noch lange nicht ausgereizt, berichtet das Team. Sogar Endlosbahnen aus dem begehrten Material könnten sich im Prinzip mit ihrer Technik produzieren lassen.

 

 

 

Roll-to-Roll-Verfahren

Die Grafik demonstriert, wie die Forscher das Graphen herstellten: Zunächst lagerten sie einzelne Atome auf einer Kupferfolie ab und konservierten sie mit einem Polymer. Anschließend entfernten sie das Metall durch Ätzen. Die freigewordene Graphenschicht konnten sie nun von der Polymerschicht ablösen und auf ein gewünschtes Trägermaterial übertragen. Ahn, Hong und Mitarbeiter orientieren sich am Roll-to-roll-Verfahren, mit dem beispielsweise auch Dünnschicht-Solarzellen und flexible Schaltkreise auf ein Material „gedruckt“ werden. Sie dampften mittels chemischer Gasphasenabscheidung Kohlenstoff auf eine Kupferfolie auf. Das dabei entstehende Graphen fixierten sie anschließend mit Hilfe eines Polymers und ätzten das Kupfer weg. Im letzten Schritt musste das Graphen nur noch von der Polymerschicht abgezogen werden.   Herkömmliche Touchscreens bestehen aus Indiumzinnoxid (ITO), das genauso unflexibel wie Silizium ist und mit vergleichsweise hohen Kosten zu Buche schlägt. Messungen ergaben, dass das Graphen der koreanischen Forscher rund 90 Prozent des Lichts durchließ und einen geringeren Flächenwiderstand als ITO aufwies. Aufgedruckte Silberelektroden machten aus dem in Kunststoffschutzfolie verpackten Graphen schließlich einen funktionierenden Touchscreen.   „Theoretisch könnte man damit sein iPhone aufrollen und sich wie einen Bleistift hinter das Ohr klemmen“, verspricht der Chemiker James Tour von der Rice University in Houston dem Magazin „Technology Review“. Die Biegsamkeit des Prototypen wurde allein durch das aufgebrachte Silber begrenzt.

 

 

 

Der fertige Touchscreen

Durch Aufdrucken von Silberelektroden versahen die Wissenschaftler ihre Folie mit einer Elektronik, die einen Laptop ansteuerte. Das berührungsempfindliche Display könnte in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden.  Der entscheidende Kniff des neuen Verfahrens ist die Verwendung eines Substrats aus Kupfer an Stelle von Nickel, wie bei früheren Ansätzen. Dadurch kann die Temperatur bei der Kohlenstoffabscheidung niedrig gehalten werden. Niedrigere Temperaturen würden bedeuten, dass das Kupfer als dünne Folie eingesetzt und damit leichter über Walzen geführt werden kann, so die Forscher. Dass auch Kupfer für diesen Zweck taugt, entdeckte im vergangenen Jahr Rodney Ruoff von der University of Texas in Austin.   Erst in der vergangenen Woche haben Forscher darüber berichtet, dass es ihnen gelungen sei, hauchdünne Leiterbahnen von nur 12 Nanometern Breite in Graphen zu schneiden [2]. Elisa Riedo vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und Kollegen verwendeten als Ausgangsmaterial Graphenoxid, aus dem sie mit der erhitzten Spitze eines Rasterkraftmikroskops Sauerstoffatome herausschossen – zurück blieben Schaltkreise aus leitfähigem Graphen. Der Herstellungsprozess lasse sich durch den parallelen Einsatz Hunderter solcher Spitzen sogar noch erheblich beschleunigen. Nach Angaben der Wissenschaftler würden ihre elektronischen Bauteile zehn Mal schneller arbeiten als die Gegenstücke aus Silizium.

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Graphen: ein neues Material für die Elektronik

Die Eigenschaften von Graphen weichen stark von denjenigen gewöhnlicher 2D-Elektronengase wie z.B. in Heterostrukturanreicherungsschichten ab. Ursache dafür ist die lineare Dispersionsrelation E(k) der Elektronen nahe des K-Punktes der hexagonalen Brillouinzone, an dem sich das bindende π-Band mit dem antibindenden π*-Band berührt. Dies führt zu einer doppel-kegelförmigen Bandstruktur. Formal entspricht dies der Dispersionsrelation ruhemasseloser Teilchen. Zusätzlich erzwingt die spezielle Symmetrie des Graphengitters mit einer zweiatomigen Basis eine zweikomponentige Wellenfunktion, wie man sie von der relativistischen Quantenmechanik her kennt. Zur Beschreibung der Ladungsträger und ihres Verhaltens muss man die Dirac-Gleichung für masselose Fermionen heranziehen. Eine Konsequenz davon ist z.B. das ungewöhnliche Landauniveau-Spektrum von Graphen, das zu einem neuen halbzahligen Quantenhalleffekt (QHE) führt. Weitere interessante Auswirkungen auf Streu- und Interferenzverhalten von Ladungsträgern (Stichwort Klein-Paradox) wurden vorhergesagt. Graphen bietet deshalb eine sehr interessante, neue Physik, die es zu untersuchen gilt.

Eine weitere Konsequenz der ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften ist eine sehr hohe Mobilität der Ladungsträger von über 10.000 cm2/Vs, in manchen Fällen sogar über 200.000 cm2/Vs. Graphen könnte deshalb ein Kandidat für schnelle elektronische Anwendungen werden. Weitere mögliche Anwendungen von Graphen sind Sensoren mit Empfindlichkeiten bis hin zur Einzelmoleküldetektion, Spintronics, oder Quantencomputing.

Mehrere Arbeitsgruppen in Erlangen beschäftigen sich mittlerweile mit diesem interessanten Material. Fragestellungen, die dabei bearbeitet werden, sind die Herstellung von Graphen, seine elektronischen Eigenschaften, die gezielte Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften (z.B. Dotierung, Generation von Bandlücken), Strukturierung und Herstellung von Bauelementen. (Priv. Doz. Dr. Thomas Seyller, http://www.graphene.nat.uni-erlangen.de/graphen.htm )

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Großer Schritt in Richtung Graphen-Elektronik

Wissenschaftler der University of Manchester haben Fortschritte beim Einsatz von Graphen zur Entwicklung neuartiger Computer-Chips gemacht. Erstmals konnte in der Praxis demonstriert werden, wie das Material als leistungsfähige Alternative zum herkömmlichen Silizium eingesetzt werden könnte.

Bei Graphen handelt es sich um eine Kristallform des Kohlenstoffs. Die Atome sind dabei wabenförmig in einer Fläche miteinander verbunden. Bis 2004 galt diese Anordnung zwar als theoretisch möglich, aber höchst instabil. Dann aber konnten Andre Geim und Kostya Novoselov stabile Graphen-Kristalle und deren ungewöhnlichen Eigenschaften vorweisen. Dafür erhielten sie im vergangenen Jahr den Physik-Nobelpreis.
Das Material gilt seitdem als eine Art Wundermittel für die Entwicklung von Elektronikkomponenten der nächsten Generation. Allerdings steckt man noch tief in der Grundlagenforschung. Die University of Manchester will aber eigens ein speziell auf das Material ausgerichtetes Forschungszentrum einrichten, um die Entwicklung voranzutreiben. Das Wissenschaftler-Team, welches sich mit Graphen befasst, konnte unter dessen einen wichtigen Schritt voran machen.

Was die Forscher als Graphen-„Big Mac“ bezeichnen, zeigt einen Weg auf, das Material in der Praxis nutzbar zu machen. Dabei werden zwei Layer des Materials mit Hilfe von Bornitrat-Schichten isoliert. Das erlaubte es, das Verhalten von Graphen ohne Umwelteinflüsse zu beobachten. Die elektronischen Eigenschaften können so wie nie zuvor getestet werden, erläuterte Leonid Ponomarenko, einer der führenden Wissenschaftler des Projekts.

„Abgesehen von den neuen physikalischen Eigenschaften, die wir beschrieben, konnten wir nachweisen, dass eine Kapselung von Graphen in Bornitrat die beste und vielversprechendste Plattform für die Entwicklung zukünftiger Graphen-Elektronik bietet. Damit wird eine Reihe von hässlichen Problemen hinsichtlich der Stabilität und Qualität gelöst, die bisher als dunkle Wolken über dem Weg zum Einsatz von Graphen in der Elektronik hingen“, sagte Geim.
Die bisherigen Experimente verliefen in einem vergleichsweise beschränkten Rahmen. Es zeigte sich aber bereits, dass die Strukturen sich gut nach oben skalieren lassen. Nach Ansicht von Geim ist es jetzt wohl nur noch eine Frage von Monaten, bis die Forscher einsatzfähige Graphen-Transistoren bauen können, die noch deutlich bessere Eigenschaften haben, als jene, die bisher demonstriert werden konnten. (Christian Kahle, http://winfuture.de/news,65937.html)

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A New Ink

A new ink based on graphene has been used to print high-performance, transparent, thin-film transistors and interconnects. The ink was invented by researchers at the UK’s University of Cambridge, who say that the work could lead to better printed electronics, including flexible displays, solar cells and electronic paper.

Flexible electronics looks set to change the way we use technology in our everyday lives, with a wide range of devices already having been made. Inkjet printing is one of the best ways of making large amounts of plastic electronics, and a variety of components, such as transistors, photovoltaic devices, organic light-emitting diodes and displays, can be fabricated using this technique. Inkjet printing is also simple and only has a few processing steps.

The technique has been used to print thin-film transistors based on organic and semiconducting inks. However, these devices do not offer the same performance and reliability as standard silicon-based electronics.

Better transistors

Now, Andrea Ferrari and colleagues have taken an important step towards creating better devices. They have developed an ink based on graphene – sheets of carbon just one atom thick with unique electronic and mechanical properties. The ink is made by separating graphene flakes from pieces of graphite in a liquid. The process begins with treating graphite flakes in a sonic bath containing the solvent N-methylpyrrolidone for several hours. The flakes are then left to settle for a few minutes. Next, the team decants the dispersions and centrifuges the samples for an hour to filter out any flakes bigger than 1 µm across that might clog the printer nozzle.

The ink can then be used to print electronic devices such as thin-film transistors (TFTs) on a variety of substrates, including silicon dioxide and quartz. The first TFTs printed using this ink already seem to perform better than state-of-the-art inkjet-printed devices. The preliminary devices have electron mobilities of up to 95 cm2 V–1 s–1 for example. In comparison, inkjet-printed TFTs based on organic semiconducting polymers have mobilities ranging from just 0.01 to 0.5 cm2 V–1 s–1, but better on/off ratios of up to 105.

Compatible with existing technology

„Our technique is not new and the graphene ink produced should therefore be compatible with existing standard inkjet machines,“ says Ferrari. „This will hopefully allow the ink to be used in existing printed electronics.“

The researchers – who report their work on the arXiv preprint server – now plan to optimize the process parameters. „We shall also be making contact with the major players in the printed-electronics industry to try and implement the ink in useful devices,“ reveals Ferrari. http://physicsworld.com/cws/article/news/48087

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