Elektronentango in Graphen

Um elektronische Bauteile weiter zu verkleinern und damit Geräte wie Laptop oder Smartphone schneller und leistungs­fähiger zu machen, braucht es neue Materialien. In dieser Hinsicht vielver­sprechend sind winzige Nano­strukturen des neuartigen Werkstoffs Graphen. Dieser besteht aus einer einzigen Atomlage Kohlenstoff und hat unter anderem eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Allerdings zeigen solche mikro­skopisch kleinen Nano­strukturen bedingt durch die räumliche Einschränkung ein stark verändertes elektronisches Verhalten. Mit einem aufwändigen Rechenmodell gelang es einem Team unter Leitung von Michael Bonitz vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik (ITAP) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, die Eigenschaften der Elektronen in diesen besonderen Nano­strukturen präzise zu simulieren und aufzuklären. Diese Kenntnisse sind entscheidend für den poten­ziellen Einsatz von Nano­strukturen aus Graphen in elek­tronischen Bauteilen.

Zwei Forschungs­teams ist es im vergangenen Jahr unabhängig voneinander gelungen, heterogene schmale Kohlenstoff-Nano­bänder herzustellen und die Elektronen-Energien darin auszumessen. Bei den Bändern wechseln sich verschieden breite Bereiche regelmäßig ab. Dadurch entstehen unter­schiedliche Energie­zustände mit einer eigenen elek­tronischen Struktur. „In theoretischen Modellen konnten die Mess­ergebnisse aber nicht vollständig reproduziert werden“, erklärt Bonitz. Zusammen mit Jan-Philip Joost und dem dänischen Kollegen Antti-Pekka Jauho von der Technischen Uni­versität Dänemark ;entwickelte er ein verbessertes Modell und erreichte damit eine hervorragende Über­einstimmung mit den Experi­menten.

Grundlage für die neuen und präziseren Computer­simulationen war die Annahme, dass die Abweichungen zwischen Experiment und bisherigen Modellen durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen bedingt war. Diese Coulomb-Wechsel­wirkung gibt es zwar auch in Metallen, aber in den kleinen Kohlenstoff-Nano­strukturen ist der Effekt viel größer. Die Elektronen werden aus den ursprüng­lichen Energie­zuständen herausgestoßen und müssen sich andere Plätze ‚suchen’, wie Bonitz verdeutlicht: „Wir konnten nachweisen, dass Korrelations­effekte durch die Coulomb-Wechselwirkung der Elektronen einen zum Teil drama­tischen Einfluss auf das lokale Energie­spektrum haben“. 

Wie die zulässigen Energie­werte der Elektronen von der Länge, Breite und Form der Nano­strukturen abhängt, konnte durch Untersuchung weiterer Nanobänder aufgeklärt werden. „Je nachdem wie man die Geometrie der Nano­bänder wählt, welche Breite sie haben und wie sich die Breite ändert, ändert sich auch das Energie­spektrum“, ergänzt Joost. „Unsere neuen Daten ermöglichen erstmals präzise Vorher­sagen, wie sich das Energie­spektrum durch die gezielte Variation der Form der Nanobänder steuern lässt”, sagt Jauho. Die Forscher hoffen, dass diese Vorhersagen nun auch experi­mentell überprüft werden und zur Entwicklung neuer Nano­strukturen führen. Derartige Systeme können einen entschei­denden Beitrag zur weiteren Minia­turisierung der Elektronik liefern. 

CAU Kiel / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J.-P. Joost et al.: Correlated Topological States in Graphene Nanoribbon Heterostructures, Nano Lett., online 18. November 2019; DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04075
• AG Bonitz, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Christian-Albrechts-Universität CAU, Kiel