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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