Vlak na de ontdekking van grafeen explodeerde de wetenschappelijke wereld van de ideeën wat je met dit wondermateriaal zou kunnen doen. 'Het was een hype,' zegt Mirco Cantoro, grafeen-onderzoeker bij het Belgische onderzoeksinstituut IMEC. 'Maar grafeen bleek ook zijn beperkingen te kennen. Dezelfde eigenschappen die het een prachtig materiaal maken, maken het voor sommige toepassingen onbruikbaar.'
Je zou verwachten dat grafeen geschikt is voor toepassingen in elektronica bijvoorbeeld als vervanging silicium. Hoewel silicium een topmateriaal is voor de huidige chips, komt daar wellicht in de toekomst een einde aan, verklaart Cantoro de interesse. 'Op dit moment zijn transistoren met structuren van 22 nm breed de kleinste in productie, maar om nog meer schakelingen op een chip te kunnen zetten maken we ze steeds kleiner. Vanaf 2020 kunnen we structuren van 7 nm maken. Silicium presteert niet meer goed genoeg bij zulke kleine structuren. We verwachten dat grafeen dat wel doet.'
Goede eigenschappen voor deze taak heeft grafeen te over: het geleidt zowel warmte als elektriciteit extreem goed, is het dunste materiaal wat je kunt bedenken en toch zeer sterk. Maar wanneer je grafeen in een elektronische schakeling gebruikt blijkt dat die schakeling niet uit kan. Er blijft altijd een stroompje lopen waardoor je energie verliest en de chip heet wordt. Zo'n transistor is onbruikbaar.
 
Smalle stroken
Veel onderzoek is er daarom op gericht om grafeenelektronica te maken die wel uit kan. In grafeen kunnen de elektronen zich vrij bewegen door de pi-orbitalen die boven en onder het vlak van de koolstofatomen uitsteken. Het materiaal heeft, net als metalen, geen bandgap ofwel bandkloof. De bandkloof van een halfgeleider zorgt er juist (kort door de bocht) voor dat een transistor gemaakt van dat materiaal ook uit kan. Het is dus essentiëel om grafeen met een bandkloof te maken.
Eén manier daarvoor is door zeer dunne stroken van het materiaal te snijden van 2 tot 3 nm breed. In zo'n strook treden allerlei kwantumeffecten op. De elektronen bevinden zich daardoor weer in specifieke energieniveau's en er ontstaat een bandkloof. Zo is een smalle strook grafeen wel een halfgeleider.
Maar zulke smalle stroken grafeen zijn niet zo eenvoudig te verkrijgen, zegt Cantoro. Een methode is het opensnijden van koolstofnanobuisjes met behulp van plasma. Verder kun je met behulp van een laser een reepje snijden uit een plak grafeen. Ten slotte is het mogelijk om stroken van grafeen te laten groeien op een oppervlak uit moleculen bestaand uit fenylringen. Al deze technieken leveren in het laboratorium prima resultaten maar zijn ongeschikt voor productie op grote schaal. Volgens Cantoro heeft fotolithografie, waarbij met behulp van licht een structuur op een oppervlak wordt 'geschreven', de voorkeur maar kunnen hiermee op dit moment geen kleinere structuren dan 20 nm gemaakt worden. 'Ik denk dat het nog enkele jaren duurt voordat deze techniek volwassen is.'
 
Stapelen
Bij het IMEC kiezen ze voor een andere methode om een bandkloof te induceren, gebaseerd op het principe dat de elektronische eigenschappen van grafeen veranderen door interactie met de drager. 'Omdat grafeen extreem dun is heeft de drager altijd invloed op de elektronische eigenschappen,' legt Cantoro uit. Vaak is de drager hexagonaal boornitride, een niet-geleidende stof die atomair vlak is en ook uit zeshoeken is opgebouwd net als grafeen. IMEC gebruikt het grafeen zelf als drager. In hun schakeling is een bilaag grafeen (twee atomen dik) gesandwiched tussen twee lagen grafeen van een atoom dik. Deze buitenste lagen wekken een elektrisch veld op dat vergelijkbaar is met een extern elektrisch veld. 'Het effect van dit veld is dat je op magische wijze de bandgap opent,' zo stelt Cantoro.
 
Kwantumcomputer
Stijn Goossens, promovendus bij de groep Kwantumtransport aan de Universiteit Delft, maakt een sandwich van grafeen en boornitride maar legt een extern elektrisch veld zo aan dat hij er een paar elektronen  mee kan vangen in de laag grafeen. 'Daarmee kan ik de fundamentele eigenschappen van slechts één elektron tegelijk bestuderen in een zogeheten kwantumstip. De kennis die ik verzamel is ook van nut voor het onderzoek naar elektronische schakelingen.'
Het mooie van een elektrisch veld is dat je het kunt regelen, legt Goossens uit. 'Door de spanning boven en onder iets anders te maken kun je de grootte van de bandkloof instellen. Daarmee regel je de eigenschappen van de halfgeleider. Je kunt zelfs naar keuze een n- of een p-type halfgeleider maken.'
Een andere variant op de sandwich wordt onder andere in Manchester onderzocht bij de onderzoeksgroep van Andre Geim, ontdekker van grafeen. Zij maakten een stapel van meerdere lagen afwisselend grafeen en boornitride en zetten er een elektrisch veld op. De elektronen stromen nu niet in het vlak van grafeen maar er loodrecht op, dwars door de stapel heen. Een transistor gemaakt van zo'n stapel kan potentieel nog veel kleiner zijn dan de huidige ontwerpen, tot zo'n 3 nm groot.
Het lagensysteem heeft zeker potentie, denkt Goossens. 'Maar het zal nog wel even duren voordat deze transistoren in consumentenelektronica worden toegepast. Een van de problemen is dat ze nog een hoge spanning vragen.' Verder is het erg belangrijk om de transistoren zeer schoon te produceren. De kleinste vervuiling tast de elektronische kwaliteit aan. In het lab maakt Goossens het grafeen schoon door met de naald  van een Atomic Force (atoomkracht) microscoop over het oppervlak te vegen. In de praktijk zal schoon produceren voor chipsfabrikanten geen fundamentele problemen opleveren. 'Met een hoop inzet en technisch vernuft zullen ze in de industrie schoon grafeen kunnen  maken,' denkt Goossens.
 
Plakband is top
Afgezien van het bandkloof-probleem is er nog een hobbel die overwonnen moet worden voordat grafeen in chips te vinden zal zijn, zegt Cantoro. 'Je moet grafeen kunnen maken op de schaal en met de technologie van een silicium wafer, zonder defecten. Anders wordt de technologie nooit compatibel met de huidige transistortechnologie en zijn alle oplossingen die je vindt voor het bandkloof-probleem een puur academische excercitie.'
Met een plakbandje laagjes van één atoom dik afpellen van grafiet, zoals ontdekkers Geim en Novoselov deden, levert nog steeds de allerbeste kwaliteit grafeen. Maar dit is natuurlijk niet op grote schaal toepasbaar. Inmiddels zijn er wel andere methoden ontwikkeld. Een goede mogelijkheid is zogeheten Chemical Vapor Deposition (CVD) waarbij methaan of acetyleen uiteenvalt bij zo'n 900°C gekatalyseerd door een dun laagje metaal zoals koper op een drager. De koolstofatomen slaan vervolgens neer als grafeen. De kwaliteit van grafeen dat op deze manier is gemaakt is echter nog altijd minder dan wanneer de laagjes met een plakbandje worden afgepeld. Bovendien moet het grafeen daarna van de metalen drager naar een bruikbaar oppervlak voor in de transistor worden overgezet. Met deze techniek maakt Samsung inmiddels al wel grafeen voor aanraakgevoelige beeldschermen als vervanging van de transparante geleider indiumtinoxide.
Een andere veelbelovende techniek is verhitten van een plak siliciumcarbide tot meer dan 1300°C in vacuüm. Silicium verdampt daarbij waardoor een laag grafeen van hoge kwaliteit achterblijft. Die hoge kwaliteit kan echter niet op de schaal van een wafer (zo'n 10 tot 30 cm) gerealiseerd  worden. Ten slotte kun je grafeen neerslaan uit een suspensie van bijvoorbeeld grafeenoxide. De kwaliteit van grafeen wordt dan echter veel slechter. 'Je kunt dit hooguit gebruiken om met een inkjetprinter-techniek circuits te printen bijvoorbeeld voor buigzame elektronica,' zegt Cantoro. Overigens denkt hij dat in 2020, wanneer silicium niet meer voldoet als halfgeleider voor transistoren, deze technieken zo ver ontwikkeld zijn dat ze wel bruikbaar zullen zijn op commerciele schaal.

Dit artikel is gepubliceerd in MeMo nr 9, november 2012, pagina 22.