Sedan upptäckten av grafen, en stor framtid har förutspåtts för materialet, som är stark och mycket ledande. Bara ett kolatomlager tjockt, grafen kan leda till ny elektronik. Exempel inkluderar utskrivbar och flexibel elektronik, pekskärmar och OLED. För detta, interaktion med andra material är nödvändig, dock. Doktoranden Menno Bokdam från University of Twente MESA+ Institute for Nanotechnology undersökte vad som händer i gränssnittet med andra material och tar därmed grafenelektroniken ett steg närmare. Han försvarar sin doktorsavhandling den 15 november.

Grafen kallades ett "mirakelmaterial" när Andre Geim och Konstantin Novoselov fick Nobelpriset i fysik för det 2010. Kolet är extremt tunt, har en kycklingnätsstruktur, och kan leda elektroner mycket bra. Men hur beter det sig i kontakt med ett annat material med liknande struktur, som bornitrid? Vad händer om bornitridskiktet sätts in mellan ett lager av koppar och ett lager av grafen? Insikt i gränssnitten är avgörande om du vill designa elektronik.

"Gap" eller inte?

Bokdam har utfört detaljerade elektronstrukturteoretiska beräkningar av grafen på bornitrid. Detta material är också mycket tunt och har nästan exakt samma kycklingnätsstruktur, men skiljer sig från grafen eftersom det inte leder elektricitet. Placerade ovanpå varandra, en omfördelning av elektroner i grafen kan ses. Detta skapar ett mönster av elektroner och "hål", som ett slags moirémönster som också syns när två staplar glider över varandra. Om vinkeln mellan de två nätstrukturerna är exakt vald, ett "gap" avslöjas också:en klyfta mellan ockuperade och obesatta energitillstånd. En elektron måste övervinna den klyftan för att leda elektricitet:en definierande egenskap för en halvledare. Det pågår en världsomspännande debatt om huruvida "gapet" existerar eller inte:en tidigare MESA+-publikation om detta ämne är ett av institutets mest citerade dokument. Bokdam föreslår nu att gapet inte uppstår när grafen och bornitrid läggs ovanpå varandra i en slumpmässig vinkel, men uppstår när de roteras exakt i förhållande till varandra.

Yttre värld

Vad händer om kombinationen av grafen/bornitrid appliceras på koppar för kontakt med omvärlden? Isåfall, en avgiftsfördelning, ett så kallat dipolskikt, bildas också på gränsytan mellan koppar och bornitrid. Eftersom bornitridskiktet är ultratunt, laddningen kan "tunnla" genom bornitriden, även om den inte leder elektricitet. Dipolskiktet har en stor inverkan på antalet tunnelelektroner. Genom att välja en lämplig metall och applicera ett elektriskt fält, koncentrationen av laddningsbärare i grafen och därmed ledningen genom grafenen kan påverkas.

Han har därmed utvecklat en förståelse för samspelet mellan olika tvådimensionella material och med metaller. Fynden är viktiga för att designa elektroniska komponenter baserade på grafen och andra 2D-material.