Überblick

Spintronik in Graphen

Die ungewöhnlichen Eigenschaften von Spins in Graphen geben noch Rätsel auf, versprechen aber ­Anwendungen.

  • Guido Burkard
  • 01 / 2014 Seite: 35

Graphen ist ein Material der Superlative: Es ist nicht nur das dünnste und stärkste bekannte Material, sondern auch ein extrem guter elektrischer Leiter. In Graphen lässt sich aber auch der Spin der Elektronen über außergewöhnlich lange Strecken nahezu ungestört transportieren. Dieser weitere Rekord macht Graphen interessant für die Spintronik, die nichtflüchtige Arbeitsspeicher oder eine deutlich geringere Wärme­entwicklung auf Chips verspricht.

Wer Bleistifte zum Schreiben benutzt, hat möglicherweise schon einmal Graphen hergestellt. Bleistiftminen bestehen – abgesehen von etwas Ton, mit dem sich die Härte beeinflussen lässt – aus Graphit, einem Festkörper ausschließlich aus Kohlenstoff. Anders als Diamant ist aber Graphit sehr stark anisotrop, denn es besteht aus atomar dünnen Lagen, welche aufeinander geschichtet und nur relativ schwach aneinander gebunden sind. Beim Schreiben mit dem Bleistift werden diese Lagen abgeschält, wobei man wohl nur selten genau eine einzelne Lage des Materials aufs Papier bringt. Vor etwa zehn Jahren ist es jedoch Andre Geim und Konstantin Novoselov gelungen, durch wiederholtes Ankleben und Abziehen von Klebeband einzelne Lagen von Graphen zu isolieren. Die beiden Physik-Nobelpreisträger von 2010 haben diese Lagen allerdings nicht auf Papier, sondern auf Silizium­oxid abgelagert, welches die Oberfläche von herkömmlichen Mikrochips aus Silizium bildet. Siliziumoxid einer bestimmten Dicke eignet sich deshalb sehr gut, weil sich darauf einzelne Graphenlagen von Schichten aus zwei und mehr Lagen mit einem optischen Mikroskop unterscheiden lassen. Erst die Möglichkeit, einzelne Graphenflocken zu präparieren und mit elektrischen Kontakten zu versehen, hat es erlaubt, die erstaunlichen Eigenschaften dieses extrem dünnen Materials zu erforschen. Dieses Forschungsfeld ist inzwischen groß und wird es wohl auch bleiben, denn im Oktober 2013 hat die Europäische Union das über eine Laufzeit von zehn Jahren mit insgesamt einer Milliarde Euro dotierte „Graphene Flagship“ zur weiteren Erforschung der Grundlagen und Anwendungen von Graphen auf den Weg geschickt.

Graphen ist ein perfekt zweidimensionales Material, welches aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Diese sind in der Ebene in einem hexagonalen Gitter angeordnet – ähnlich einer Bienenwabe (Infokasten „Struktur und Bandstruktur“). Neben dem mechanischen Abtrennen einzelner Schichten von Graphit mit der beschriebenen „Klebeband-Methode“ lässt sich Graphen auch durch epitaktisches Wachstum auf Siliziumkarbid oder durch Gasphasenabscheidung präparieren.

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