Wetenschappers aan de technische universiteit Noorwegen NTNU hebben een fabricageproces ontwikkeld om een grafeen-ondergrond te 'bombarderen' met gallium-atomen. De in vacuum afgevuurde atomen blijven plakken op het oppervlak, klonteren samen tot druppels en schikken zich naar de honingraatstructuur van grafeen. Dit levert een exact patroon op van de druppels.

De netjes gerangschikte druppels: Klik voor groot

Nanodraden groeien

Vervolgens worden er ook arseen-moleculen meegestuurd in het bombardement van materiaal, waarbij deze combinatie wordt geabsorbeerd in de reeds gevormde gallium-druppels. Onder de druppel ontstaat dan een kristalstructuur die uiteindelijk nanodraden vormt, schrijft techblog Gizmag. Deze nanodraden groeien omhoog en bereiken na enkele minuten al de gewenste hoogte van één micrometer.

De omhoog gegroeide nanodraden, met bovenop de druppel die voor de nette rangschikking zorgt: Klik voor groot

Het eindresultaat is een grafeen-substraat van één micrometer dun wat is bedekt met nanodraden die netjes gerangschikt zijn langs de onderliggende honingraatstructuur. Deze basis is een halfgeleider die niet alleen superdun is maar ook buigbaar. De onderzoekers voorzien uiteenlopende revolutionaire toepassingen: van goedkope zonnecellen en LED-componenten (light emitting diodes) tot flexibele elektronica zoals een 'polsband-smartphone'.

“Een materiaal dat bestaat uit een buigbare basis die ook transparant is, opent een wereld van mogelijkheden, waarvan we nog maar net de contouren zien", verklaart dr. Helge Weman van de Noorse onderzoeksgroep. “Ramen in gewone huizen kunnen dienst doen als zonnepanelen of als een tv-scherm. Schermen van mobiele telefoons kunnen om de pols worden gewikkeld als een horloge. Het potentieel is enorm."

Onderzoekers bij zowel universiteiten als chipfabrikanten zijn al jaren bezig met grafeen. Zij hebben tot op heden diverse revolutionaire toepassingen ontwikkeld.

Lees verder op pagina 2 over de doorbraken die grafeen mogelijk maakt.

Wondermateriaal grafeen

Grafeen staat al geruime tijd te boek als wondermateriaal wat het alom gebruikte silicium kan vervangen én overstijgen. Niet alleen is grafeen dun en supersterk, maar het kan zichzelf koelen, kan glasvezelnetwerken tot tien keer versnellen, en batterijen in slechts 10 minuten volledig opladen. Ook zelfopladende batterijen, ultraveilige draadloze communicatie, en superhoge semi-kloksnelheden behoren tot de mogelijkheden.

Door het atoom- en molecuulbombardement is het eindresultaat ultradun; enkele honderden malen dunner dan huidige halfgeleiders van silicium. Grafeen wordt door veel onderzoekers gezien als een ideale opvolger voor silicium, dat tot op heden het standaardmateriaal is voor chips. De Noorse productiemethode belooft veel goedkopere halfgeleiders doordat er veel minder materiaal nodig is om een werkend exemplaar te maken.

Het ultradunne eindresultaat: een halfgeleider van één micrometer dik (op een grafeen-onderlaag van 1 atoom dik): Klik voor groot

Commercieel doorontwikkelen

De Noorse onderzoekers hebben al een spin-off bedrijf opgezet om hun grafeen-doorbraak commercieel te ontwikkelen. Deze onderneming, CrayoNano AS, is in juni dit jaar opgezet. NTNU heeft patenten op het nieuwe hybride materiaal en de productie daarvan. De afgelopen maanden zijn wetenschappelijke details over de doorbraak gepubliceerd.

De wetenschappers hebben al gesprekken gevoerd met chipproductiereuzen IBM en Samsung. “Er is enorme belangstelling in het produceren van halfgeleiders uit grafeen, dus het zou niet moeilijk moeten zijn om partners te vinden om mee samen te werken", stelt dr. Weman. De onderzoekers gaan nu werkende prototypes maken voor specifieke toepassingsgebieden. Ze schatten dat hun hybride halfgeleiders over een jaar of vijf al op de markt kunnen komen.

De Noorse wetenschappers leggen uit hoe ze hun chipmateriaal 'kweken' om een ultradunne halfgeleider te fabriceren: