Graphen und Graphennanostrukturen

 Graphen, eine zweidimensionale, hexagonale Kohlenstoffschicht, ist aufgrund seiner einzigartigen elektronischen und strukturellen Eigenschaften eines der am meisten untersuchten physikalischen Systeme in der aktuellen Forschung. Seine lineare Bandstruktur und die daraus resultierenden, hohen Mobilitäten der Ladungsträger, machen Graphen zu einer idealen Grundlage für zukünftige, ultraschnelle elektronische Anwendungen.

Zur Synthese der Graphenschichten verwenden wir das epitaktischen Wachstum auf Siliciumcarbid (SiC), eine aufgrund seiner Flexibilität besonders vielversprechende Herstellungsmethode im Hinblick auf elektronische Anwendungen. Epitaktisch gewachsenes Graphen bietet die Möglichkeit durch Modifikation des SiC/Graphen Interfaces die elektronische Struktur des Graphens zu modifizieren und an die spezifische Anwendung anzupassen. Wir kontrollieren sowohl die elektronischen (z.B. Dotierung) als auch die strukturellen Eigenschaften (z.B. Defektkonzentrationen) der so gewachsenen Graphenschichten mit einer Vielzahl von Messmethoden (z. B. STM, SEM, Raman). Die lokalen Transporteigenschaften des Graphens werden mit einem 4-Spitzen-STM untersucht, welches Messungen mit sehr kleinen Kontaktabständen bis unter 100 nm ermöglicht.

Ein weiteres großes Forschungsfeld ist die Strukturierung von Graphen in schmale Streifen, die sogenannten Graphen Nanoribbons. Die räumliche Einschränkung des Graphens führt zu Modifikationen der Bandstruktur. Abhängig von der Orientierung der Kanten ist es möglich, ballistische Kantenzustände zu generieren, welche theoretisch sehr große mittlere freie Weglängen aufweisen. Wir nutzen das selektive Wachstum auf vorstrukturierten SiC Substraten um die Nanoribbons herzustellen und vermeiden destruktive Prozessschritte der konventionellen Lithographie. Die so gewachsenen Nanoribbons zeigen außergewöhnliche Transporteigenschaften, z.B. ballistischen Transport bei Raumtemperatur mit mittleren freien Weglängen von mehreren µm.

AFM- und EFM-Aufnahme von Graphen Nanoribbons auf den Flanken einer SiC Mesa

 

 

 

SEM-Aufnahme eines Graphen Nanoribbons kontaktiert mit vier Messspitzen

Ausgewählte Veröffentlichungen:

J. Baringhaus, J. Aprojanz, J. Wiegand, D. Laube, M. Halbauer, J. Hübner, M. Oestreich and C. Tegenkamp (2015): Growth and characterization of sidewall graphene nanoribbons, Appl. Phys. Lett. 106, 043109 (2015)  
DOI: 10.1063/1.4907041

Jens Baringhaus, Alexander Stöhr, Stiven Forti, Ulrich Starke amd Christoph Tegenkamp (2015): Ballistic bipolar junctions in chemically gated graphene ribbons, Sci. Rep. 5, 9955, (2015)  
DOI: 10.1038/srep09955

Jens Baringhaus, Ming Ruan, Frederik Edler, Antonio Tejeda, Muriel Sicot, Amina Taleb-Ibrahimi, An-Ping Li, Zhigang Jiang, Edward H. Conrad, Claire Berger, Christoph Tegenkamp, Walt A. de Heer (2014): Exceptional ballistic transport in epitaxial graphene nanoribbons , Nature, 506, 349 (2014) weitere Informationen
DOI: 10.1038/nature12952