Wie sich Fulleren-Moleküle unter Graphen-Schichten schieben

  • 14. July 2010

Forscher beobachten atomare Vorgänge beim Dotieren von Halbleitermaterialien.

Fulleren und Graphen, die beiden noch nicht lange bekannten Formen des Kohlenstoffs regen seit ihrer Entdeckung (Fulleren 1970, Graphen 2004) die Phantasie der Forscher an. Insbesondere mit Graphen wollen sie ein neues Kapitel der Elektronik beginnen, da das Halbleitermaterial eines Tages das Schlüsselelement Silizium ablösen könnte. Dazu muss man Graphen - das ist eine einzelne Atomschicht Graphit - mit Fremdatomen dotieren können. Und zwar so, dass die wichtigen Struktureigenschaften des Graphens erhalten bleiben.

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) berichteten jetzt über eine neue Mikroskopie-Technik. Mit ihr können sie zeigen, wie sich einzelne zum Dotieren verwendete Fulleren-Moleküle unter die Graphen-Schicht schieben, die zuvor auf einem Nickel-Substrat abgeschieden wurde.

Abb.: Mikroskopische Aufnahme einer Graphenschicht auf Nickel-Substrat. Auf dem Bild links, aufgenommen bei einer beliebigen Vorspannung der Mikroskopspitze, sieht man nur dunkle Streifen. Erst wenn die Vorspannung spektroskopisch gezielt auf die C60-Moleküle abgestimmt wird (rechts), werden die Moleküle unter der Graphenschicht als Ursache für das Streifenmuster sichtbar. (Bild: HZB)

Graphen ist der erste in zwei Dimensionen stabile Kristall, weil sich die Kohlenstoff-Atome in einer Honigwaben-Struktur aus Sechsecken anordnen. Beim Fulleren kommen noch einige Fünfecke hinzu, weshalb das aus 60 Kohlenstoff-Atomen bestehende Molekül auch als Fußball-Molekül bekannt geworden ist.

Andrei Varykhalov und seine Kollegen vom HZB haben aus Propylen per Gasphasenabscheidung eine dünne Lage Graphen auf einem Nickel-Substrat abgeschieden. Anschließend haben sie einzelne Fulleren-Moleküle zwischen die Nickel-Oberfläche und die Graphenschicht gebracht. Dies gelang durch rasches Erwärmen der Probe auf 400 Grad Celsius und anschließendes kurzes Ausglühen. Die entscheidende Technik, mit der sie das Dazwischenschieben – Interkalation genannt - der Fulleren-Moleküle beobachten konnten, war die Rastertunnelmikroskopie.

Bei dieser Messung wird eine elektrisch leitende Spitze Zeile für Zeile über die ebenfalls leitende Probenoberfläche gefahren. Spitze und Objektoberfläche berühren sich dabei nicht, so dass kein Strom fließt. Erst wenn die Mikroskop-spitze der Probenoberfläche so nah kommt, dass nur wenige Nanometer dazwischen liegen, kommt es zum Tunneleffekt. Das heißt, Elektronen aus der Probenoberfläche und der Spitze treten in Austausch. Wird eine Spannung angelegt, fließt ein Tunnelstrom, der sehr empfindlich auf kleinste Abstandsänderungen reagiert.

Die HZB-Wissenschaftler konnten in ihrem Experiment die Rastertunnelmikroskopie so betreiben, dass ein deutlicher Kontrast entsteht, sobald die Spitze des Mikroskops die Fulleren-Moleküle unter der Graphen-Oberfläche wahrnimmt. Um die entscheidenden Parameter hierfür zu bekommen, haben sie die Probe am Speicherring BESSY II bei Berlin zunächst mit Synchrotronstrahlung untersucht.

„Mit unserem Abbildungsverfahren können wir ganz universell Interkalationsverbindungen visualisieren“, unterstreicht Varykhalov die Bedeutung der Experimente. Bei der Entwicklung der neuen Halbleitertechnologie ist ein solches Bildgebungsverfahren Voraussetzung, um neue Bauteile zu entwickeln.

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH/AL


Weitere Infos:

  • Originalveröffentlichung:
    Andrei Varykhalov, Wolfgang Gudat, Oliver Rader: Imaging Buried Molecules: Fullerenes Under Graphene. Adv. Mat., Early View, online 9. Juni 2010
    dx.doi.org/10.1002/adma.201000695
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