Een materiaal van superlatieven

De ontdekker, professor Andre Geim (Nobelprijs 2010), vergelijkt grafeen het liefst met plastic. Hij verwacht namelijk dat grafeen net als plastic – het wondermateriaal van de 20-ste eeuw – talloze verschijningsvormen zal kennen, met veel uiteenlopende identiteiten en toepassingsmogelijkheden. Grafeen als het plastic van de eeuw dus.

Zijn collega en mede-Nobellist Konstantin Novoselov is deze week eregast op de grafeenweek (Graphene week) – een jaarlijkse bijeenkomst over grafeen die dit jaar in Delft gehouden wordt en georganiseerd is door prof.dr.ir. Lieven Vandersypen van de afdeling quantumtransport (Technische Natuurwetenschappen).

Ook Vandersypen twijfelt niet aan tal van toepassingen van grafeen, al is daar tot nu toe weinig van te zien. “Het komt eraan”, verzekert hij. Een van de eerste toepassingen zullen waarschijnlijk touchscreens van Samsung zijn en speciale transistors (waarmee draadloos te communiceren valt) van IBM. Onderzoekers van beide bedrijven spreken op de grafeenweek.

“Grafeen is een materiaal van superlatieven“, zegt Vandersypen over de ultraplatte koolstofverbinding. Stel je het voor als een kippengaasstructuur waarin iedere punt van de zeshoeken uit een koolstofatoom bestaat dat met twee enkele en een dubbele binding aan zijn buren is verbonden. Het materiaal is zo dun als een koolstofatoom en heeft zeer bijzondere eigenschappen. Het geleidt elektriciteit bijna net zo goed als koper dat doet, het is transparant (een zeldzame combinatie) het is heel sterk, het geleidt warmte (wat voor elektronische toepassingen erg handig lijkt), het laat zich eenvoudig bewerken en het is, zelfs één laagje dik, gasdicht voor de lichtste gassen.

Daar komt nog bij dat er veel onderzoek naar gedaan wordt. Iedere week komen er tachtig wetenschappelijke artikelen bij met het woord ‘graphene’ in de titel. Zelfs voor onderzoekers is dat nauwelijks meer bij te houden. Om een idee te geven van de diversiteit: de grafeenweek biedt, verspreid over vijf dagen, bijeenkomsten over elektronisch transport, de optische eigenschappen, materiaalonderzoek, structuren en apparaatjes van grafeen, magnetisme, spin en de eerste toepassingen.

Maar waar blijven al die nieuwe materialen waar we al zo lang over horen? Het simpele antwoord is: er wordt aan gewerkt. Ook op de TU. Vraag het aan de onderzoekers wanneer ze de eerste toepassingen van grafeen verwachten, en de meesten houden het op een jaar of vijf.

Speeltuin

Speeltuin

Speeltuin

“Voor Lieven is grafeen de speeltuin van de quantumfysica”, zegt zijn promovendus ir. Stijn Goossens. Vandersypen beaamt dat. Zijn fascinatie voor de koolstofmonolaag stamt uit 2005, toen hij twee onderzoeksartikelen in Nature over het materiaal las. Daarin stond het gedrag beschreven van stroomgeleiding door grafeen in een magnetisch veld. Daarbij ontstaat er een spanningsverschil dwars op de stroomrichting (het Hall-effect).

Maak het magneetveld groot genoeg, en het spanningsverschil verloopt in stapjes (het quantum Hall-effect), die zich normaal op vaste onderlinge afstand bevinden. Maar in grafeen waren die niveau’s verschoven. “Dat was een ‘smoking gun’”, zegt Vandersypen. Daaraan kon je zien dat elektronen in grafeen zich gedragen als (relativistische) deeltjes, die met een constante snelheid voortbewegen.

Bovendien worden elektronen in grafeen maar weinig verstrooid, waardoor de beweeglijkheid van de elektronen tweehonderd keer hoger is dan in silicium. “De elektronen gaan in grafeen gewoon rechtdoor,” vat Goossens samen.

Voor elektronische componenten van grafeen belooft dat snelle en ultradunne elektronica met geringe warmteontwikkeling.

Het onderzoek bij quantumtransport is echter niet gericht op het ontwikkelen van componenten, maar op het ontdekken van de eigenschappen van het materiaal. Goossens zelf bijvoorbeeld experimenteert met heel kleine stukjes grafeen (ongeveer 0,1 micron groot) waarop minder dan honderd vrije elektronen huizen. Als je zo’n ‘Coulomb-eiland’ klein genoeg maakt, gaat het zich qua energieniveaus gedragen als één kunstmatig atoom. Het is slechts een voorbeeld uit een reeks verkenningen naar het elektronisch karakter van grafeen.

Daarnaast is Vandersypen ook een aantal samenwerkingsprojecten begonnen met collega-onderzoekers. Met elektronenmicroscoopspecialist prof.dr. Henny Zandbergen bekijkt hij het ladingtransport in grafeen met een elektronenbundel, en dat levert een interessante dynamiek op. “De stroom beïnvloedt de structuur, en omgekeerd beïnvloedt de structuur de stroom”, vat Vandersypen samen. Met prof.dr.ir. Herre van der Zant ontwikkelde hij moleculaire elektroden door wat laagjes grafeen gecontroleerd door te laten branden. Tussen de twee uiteinden past met enig geluk precies één molecuul (van één à twee nanometer). Dat heeft de weg geopend tot een nieuwe aanpak van de moleculaire elektronica. De combinatie van grafeen en supergeleiding heeft Vandersypen verkend met prof.dr.ir. Teun van Klapwijk. En met prof.dr. Cees Dekker tot slot zette hij de eerste stappen naar grafeen met nanogaatjes (zie kader: De kleinste gaatjes).

Sterk spul

Sterk spul

Sterk spul

Het heeft iets frustrerends. Dat je als volwassen vent niet zo’n stukje folie doormidden kan scheuren. Probeer een vel papier: zap. Aluminiumfolie: krak. Maar nu dit: Arrgghh. Chemicus en materiaalkundige prof.dr. Theo Dingemans (L&R en ChemE) kijkt geamuseerd toe. Het folie is een polymeer dat 2 procent grafeen bevat, en dat is al genoeg om het twee maal sterker te maken. Overigens telt niet alleen de sterkte, maar ook de vervormbaarheid (‘ductiliteit’). Veel polymeren voor koolstofcomposieten die de laatste tijd ontwikkeld zijn ontbreekt het daaraan, zegt Dingemans: “Als je zulk folie verfrommelt, houd je een handje snippers over.”

Grafeencomposiet kan straks overal opduiken: in skateboards, hockeysticks, fietsframes, waterstoftanks en in de ruimtevaart. De constructies kunnen naar verwachting twee maal lichter en dunner worden dan we nu kennen. Voorlopig, en dat is over een jaar of vijf, verwacht Dingemans vooral kleinere toepassingen, en nog geen hele vliegtuigrompen. Afgezien van de beperkte beschikbaarheid moet het nieuwe materiaal eerst nog getest worden op ondermeer vermoeiingsverschijnselen en gevoeligheid voor ondermeer uv-straling, chemische invloeden en temperatuurswisselingen. Het lijkt zo eenvoudig: je hebt een polymeer (kunsthars), je voegt er wat

grafeenpoeder aan toe, je roert en wacht wat eruit komt. Maar wat het lastig maakt, is dat de gebruikte kunsthars en koolstof niet goed mengen. Daar heeft de groep van Dingemans nu (letterlijk) oplossingen voor ontwikkeld, waarmee ze het sterke folie kon maken. Nu willen de onderzoekers de hoeveelheid grafeen verder opvoeren naar 10 of 25 procent van het volume en daarmee hopelijk ook de sterkte. Promovendus Mauti Hegde heeft systematisch onderzoek gedaan naar de invloed van koolstof vulmateriaal op composieten. Hij vergeleek vullingen van C-60 moleculen (‘bucky balls’) met nanobuisjes (‘carbon nanotubes) en grafeen. Dingemans wilde weten wat de invloed was van de dimensie van de vulstructuur (0 voor de C-60; 1 voor de buisjes en 2 voor het vlakke grafeen) op de composiet. Hegde vond dat grafeen, dat het grootste oppervlak heeft, het sterkst de kristalvorming van het polymeer stimuleerde en daardoor tot de sterkste composieten leidt. Ook komt Hegde, die momenteel zijn promotieopdracht afrondt, met heel concrete voorschriften voor constructeurs. Van een publicatie is het nog niet gekomen. Dingemans wil eerst uitzoeken welke technieken hij wil patenteren.

De kleinste gaatjes

De kleinste gaatjes

De kleinste gaatjes

“Toen ik voor het eerst van grafeen hoorde, in 2004, wilde ik het meteen aanraken”, memoreert chemicus dr. Grégory Schneider. “Ik was erg onder de indruk. Het geleidt goed is extreem sterk.” De postdoc uit Straatsburg weet de kracht van het materiaal op een wat aparte, maar wel zeer beeldende, wijze uit te drukken: ”Als je er een vierkante meter van zou hebben, zou je er een kat op kunnen zetten. Zo sterk is het.”

Schneider is onderzoeker bij de bionanoscience-groep van Cees Dekker. Die groep werkt al jaren aan nanogaatjes, piepkleine gaatjes in een dun laagje silicium waar de onderzoekers DNA-moleculen doorheen trekken. Door de gaatjes stromen tegelijkertijd ionen. Uit de fluctuaties in de ionenstroom destilleren de wetenschappers allerhande eigenschappen van het DNA; of het enkel- of dubbelstrengs is bijvoorbeeld en wat voor eiwitten er aan vast zitten. De groep behoort tot de wereldtop op nanogaatjesgebied.

Maar er valt nog veel meer informatie uit het DNA te halen als je in plaats van silicium grafeen gebruikt. Zo zou je er de erfelijke code van het DNA – base voor base – mee kunnen aflezen en er de elektrische eigenschappen van de afzonderlijk bouwsteentjes van het DNA mee kunnen onderzoeken.

“Het laagje silicium is ongeveer dertig nanometer dik”, zegt Schneider. “Dat komt overeen met een stuk DNA van honderd baseparen lang. Dat is dus gelijk de resolutie die we behalen met silicium nanogaatjes. Grafeen is daarentegen ongeveer even dik als een base; 0,3 nanometer.”

Dat je met grafeen DNA kunt analyseren, demonstreerden Schneider en enkele collega´s in 2010. De doorbraak leverde een publicatie op in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters. Schneider is nu bezig deze techniek verder te ontwikkelen.

De Fransman maakt de piepkleine onderzoeksinstrumentjes door vlokjes grafeen elk op een laagje silicium te leggen met daarin een gaatje. Met elektronen schiet hij vervolgens door die gaatjes openingen in het grafeen.

Het aanbrengen van het grafeen op het silicium blijkt verrassend simpel en lijkt op het krassen van een kraslot. “Iedere student kan het doen”, zegt Schneider terwijl hij een stukje grafiet (het basismateriaal dat bestaat uit een opeenstapeling van laagjes grafeen), een silicium wafer en een stuk clearoom-plakband tevoorschijn haalt. Hij maakt een sandwich van de drie onderdelen met het grafiet in het midden en krast met de botte kant van een schaar hard over het plakband. Wanneer hij het plakband wegtrekt, blijven er dunne schilfertjes grafiet over op de silicium wafer. Nadat hij dit proces enkele keren heeft herhaald, blijken er ook stukjes achter te blijven die slechts een atoomlaag dik zijn: oftewel grafeen. Met de lichtmicroscoop zijn ze goed zichtbaar als lichtpaarse vlokken op een donkerpaarse achtergrond.

Met behulp van een waterafstotend laagje polymeer en een plens water kan Schneider het grafeen naar de juiste plek op de wafer dirigeren. “Het polymeer en het grafeen hechten aan elkaar en drijven op het water. Zodra het grafeen op de juiste plek is beland, pomp ik het water weg. Het hele proces duurt slechts een uur. Dat is ideaal om biologische processen te onderzoeken. Je wilt dan niet een maand bezig zijn met het maken van één wafer.”

Jong en wild

Jong en wild

Jong en wild

Het was een wild idee met een hoge faalkans, maar wel zeer goed doordacht en daarom het proberen waard. Voor zijn plan om flexibele displays van grafeen te maken werd promovendus Shou-En Zhu vorig jaar beloond met de ‘Young Wild Ideas’ prize’ (tienduizend euro) van de Delft Centre for Materials.

Grafeen is volgens de promovendus een veelbelovend materiaal voor flexibele displays, omdat je het tot 12 procent kunt uitrekken zonder dat je daarmee de elektriciteitsgeleiding beïnvloedt. Bovendien geleidt het materiaal warmte ook heel goed. Zijn idee in een notendop: maak talloze kleine verwarmingselementjes van grafeen, plak die op een laag silicium en voeg er een laag met thermochromatische (warmtegevoelige) pigmenten aan toe. De jonge onderzoeker beschreef deze aanpak in 2011 in het prestigieuze blad Nano Letters.

Voor zijn vervolgexperimenten heeft Zhu inmiddels een chemical vapor deposition-oven gemaakt, waarin hij zelf stukjes grafeen fabriceert. Hij heeft talloze stukjes grafeen nodig om de karakteristieken ervan – bijvoorbeeld hoe het uitzet als gevolg van verhitting – beter te onderzoeken.

Wie ook oren heeft naar flexibele displays van grafeen is Samsung. Zhu was indirect betrokken bij de plannen hieromtrent van dit elektronicabedrijf. Voordat Zhu naar de TU kwam, werkte hij aan grafeen aan de universiteit van Sungkyunkwan in Zuid-Korea. Enkele van zijn naaste collega’s daar hadden ook een aanstelling bij Samsung.

“Samsung heeft aangekondigd volgend jaar al een flexibele display van grafeen op de markt te brengen”, zegt Zhu. “Maar ik geloof niet dat hen dit gaat lukken.”

Zhu is tot de conclusie gekomen dat zijn Young Wild Idea wel erg wild was en toch echt iets voor de lange termijn. “Het is heel lastig om van grafeen een capacitief aanraakscherm te maken”, (het type aanraakscherm dat in de huidige generatie smartphones zit, red.) legt de onderzoeker uit. “De weerstandseigenschappen van grafeen zijn inferieur aan die van indiumtinoxide dat momenteel in displays zit (maar dat dan weer als nadeel heeft dat het heel broos is).”

Gedurende zijn onderzoek heeft Zhu besloten zich meer te gaan richten op druksensoren van grafeen. Dat is wellicht wat minder sexy. Maar ook een voorbeeld van flexibele elektronica en handig voor talloze toepassingen in de industrie.