Graphen auf SiC: Herstellung, elektronische Struktur und Anwendungen als Transistor

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Seyller; Professor Dr. Heiko B. Weber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 53428716

Graphen ist eine Ebene dreifach koordinierter Kohlenstoffatome, gewissermaßen eine Monolage von Graphit. Vor etwa drei Jahren konnte eine einzelne Graphenschicht erstmals durch wiederholtes Spalten von Graphit präpariert werden und in einer Reihe von Aufsehen erregenden Experimenten zeigten sich seine außergewöhnlichen Eigenschaften. Aufgrund seiner Struktur stellt Graphen das ideale zweidimensionale Elektronensystem dar, das zudem oberflächensensitiven Charakterisierungsmethoden zugänglich ist. Wegen der Besonderheiten der Bandstruktur verhalten sich Elektronen und Löcher wie ruhemasselose Teilchen. Die Wellenfunktion ist zweikomponentig, wie man es von Dirac-Teilchen her kennt. All das führt nicht nur zu einem Reichtum ausgefallener physikalischer Eigenschaften, sondern macht Graphen mit der Möglichkeit des ambipolaren Transports und Ladungsträgerbeweglichkeiten von mindestens 60.000 cm2V-1s-1 auch zu einem außergewöhnlichen Material für elektronische Anwendungen. Auf der Grundlage umfangreicher eigener Vorarbeiten zur Synthese von Graphen auf Siliziumkarbid (SiC)-Einkristallen soll in diesem Projekt ein neuartiger Graphen-basierter Feldeffekttransistor realisiert werden. Diese qualitativ neue Grundlagenentwicklung öffnet die Möglichkeit für eine Vielzahl von Experimenten und Anwendungen. Bei der Anwendung als Gassensor werden Empfindlichkeiten zum Nachweis einzelner Gasmoleküle erwartet. Beim Kondoeffekt mit spintragenden Molekülen wird die Wechselwirkung zwischen Molekülen und zweidimensionalem Elektronengas in einem neuen Kontext untersucht. Die Zugkraft des hier avisierten Feldeffekttransistors liegt in der Tatsache, dass seine Realisierung auf gängiger Halbleitertechnologie beruht, angewandt auf SiC. SiC dient dabei nicht nur als Ausgangsmaterial für die großflächige, thermisch kontrollierte Synthese ein- oder mehrlagiger Graphenschichten. Undotiertes SiC wird auch als Gateisolator verwendet, das die Graphenschicht von dem Gate trennt, welches durch flache Implantation unter die Oberfläche erzeugt wird. Mit unserer langjährigen Erfahrung mit SiC als Halbleitermaterial, und unseren Vorexperimenten, denen beste Probenqualität attestiert wird sehen wir uns in aussichtsreicher Lage, die qualitativ besten Materialien in diesem stark umkämpften Gebiet beitragen zu können, was ohne Zweifel ein Schlüssel zu einer reichhaltigen neuen Physik und Technologie werden wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen