Graphene and Semiconductor Technology: Smaller, Cheaper, Better

Mobile phones that bend, self-powered nanodevices , new and improved solar cell technology and windows that generate electricity are but a few of the potential products from the union of semiconductors and graphene.

Bård Amundsen and Else Lie, The Research Council of Norway

Semiconductors grown on graphene at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) may be the most important research breakthrough of 2012 in Norway. At the centre of the research efforts are Professor Helge Weman, Professor Bjørn-Ove Fimland and post-doctoral fellow Dong-Chul Kim. The team is now working on translating the results of their basic research into an initial prototype.

Just One Atom Thick

In the 1960s, researchers envisioned that graphite (pure carbon) could be cut into layers measuring only one atom in thickness – resulting in the material known as graphene.

In the 1990s, researchers managed to create a layer as thin as 100 atoms, but there was no progress after that until 2004, when Russian-born Andre Geim grabbed a tape dispenser from his desk at the University of Manchester, pressed a bit of tape over a thin layer of graphite and peeled it away. When he examined the tape under a microscope, he discovered a layer only one carbon atom thick. Graphene was born!

In 2010, Dr Geim and his colleague, Konstantin Novoselov, were jointly awarded the Nobel Prize in Physics for their work in demonstrating the unique properties of graphene.

Ahead of the Pack at NTNU

Six months before Dr Geim and Dr Novoselov arrived in Stockholm to receive their prize, and before graphene had become an item of interest, South Korean post-doctoral fellow Dong Chul Kim at NTNU had suggested to Professors Helge Weman and Bjørn-Ove Fimland at the Department of Electronics and Telecommunications that they should take a closer look at precisely this material. The suggestion came shortly after the NTNU group already had succeeded in growing semiconductor nanowires made of gallium arsenide (GaAs) on silicon substrates. This led Dr Weman to wonder if it would be possible to grow semiconductor nanowires directly on graphene instead.

The collective expertise of Professor Weman, Professor Fimland and Dr Kim proved to be a fruitful combination. The researchers quickly achieved their first breakthrough of growing semiconductors nanowires on a one-atom-thick base in September 2010, and in the summer of 2012 they published their results in the American journal Nano Letters.

These active semiconductors normally grow to be one micron (a millionth of a metre) in thickness.

Will Silicon Become Obsolete?

Graphene is definitely the hottest topic right now among nanomaterial researchers. The pure-carbon material is by far the thinnest and strongest known to exist. It is 200 times stronger than steel, conducts electricity 100 times faster than silicon and is superior to any other material in conducting heat. It is impermeable, yet pliable and transparent at the same time. And inexpensive large-scale production of graphene is now becoming a reality.

At present, electronics and solar cells are using thick silicon substrates. But silicon has clear limitations, including size. Large technology companies are struggling to produce silicon-based electronics that are smaller than those currently on the market. Another challenge with using silicon is that silicon-based electronics generate a great deal of heat. Many people consider graphene to be the prime candidate for replacing silicon.

Large multinational corporations such as IBM and Samsung have poured a lot of effort into research on both semiconductors and graphene. But the real breakthrough in growing semiconductors on graphene actually took place at NTNU in Trondheim.

The findings of these researchers in Trondheim may be used to make electronics and solar cells that are several hundred times thinner than current models. This will make it possible to produce electronics that are both pliable and transparent, in addition to being less expensive and more energy-efficient.

More Efficient Solar Cells and LEDs

It will probably not be long before simple graphene products begin appearing on the market. Some of them will be based on semiconductor technology.

Semiconductors are a main component in almost all modern electronics. Without them, it would not be possible to have computers, smartphones, solar cells, LED lights or devices using lasers, i.e. everything from printers to fibre communications. All these items can be made smaller and better using graphene. Graphene can both supplant the semiconductor substrate and serve as a transparent electrode for a pliable nanowire solar cell.

“Solar cell and LED technology will be the initial areas to see new products using semiconductors grown on graphene,” Dr Weman believes.

Under-priced fossil-fuel energy is the primary contributor to global warming. Sunlight is an alternative source with enormous potential, but solar energy will have to become less expensive and more efficient. Semiconductor nanowires based on graphene may just finally tip the scales in favour of solar energy.

“If semiconductor nanowires grown on graphene are used in solar cells, the same amount of sunlight can be converted to energy using one-tenth the volume of materials used in thin-film solar cells. And that means we’ve cut down on even more material by growing the semiconductors on graphene instead of on a thick semiconductor substrate. New research also shows that graphene has additional unique properties that enhance the efficiency of a solar cell,” Dr Weman explains.

LED light bulbs are superior in terms of energy efficiency, but have been more expensive to produce because of costly semiconductor substrates. Semiconductor nanowires on graphene will make it possible to supply the world with LED lamps that are far cheaper and much more efficient while also being more pliable and weighing less than today’s lamps.

Industrialisation on the Horizon

The work on graphene at NTNU has drawn the attention of many international companies interested in collaborating with the Trondheim-based researchers and their start-up company, CrayoNano. But the potential industrial queries so far have come solely from Asia and the US. Actors in Norway and Europe have yet to express any interest.

“We are pioneers in that we are using graphene for something other than basic research. We may already have our first prototype in place by the end of 2013, but we don’t wish to reveal what it is yet,” Dr Weman says.

“The field we are working with – using graphene as a replacement for silicon and other semiconductor substrates in electronics and solar cells – entails many new opportunities. But the potential is just as great for applications using graphene in areas other than electronics, such as in the medical sector. Graphene can be used in the body without causing any harm,” Dr Weman explains.

“In a world where drinking water is in short supply, employing oxygen-modified graphene filters to purify water is yet another exciting application. It’s a whole new way to turn seawater into fresh water.”

In any case, research and development activities will be needed for many years. Dr Weman likens the current state of graphene research to where silicon was in the early 1960s.

Graphen und Halbleitertechnologien: Kleiner, Billiger, Besser

Biegbare Mobiltelefone, sich selber mit Strom versorgende Nanogeräte, neue und verbesserte Solarzellen-Technologie und Fenster, die Strom erzeugen, sind nur einige der potentiellen, neuen Produkte, die durch die Verbindung von Halbleitern und Graphen möglich werden.

Übersetzt von Ann-Bettina Schmitz, ABS-TextandMore

Halbleiter, die, an der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technik, auf Graphen aufgebracht werden, könnten der bedeutendste wissenschaftliche Durchbruch des Jahres 2012 in Norwegen sein. Im Zentrum dieser Forschungsbemühungen stehen Professor Helge Wemna, Professor Bjørn-Ove Fimland und post-doctoral Fellow Dong-Chul Kim. Das Team arbeitet im Moment daran, die Ergebnisse ihrer Grundlagenforschung in einen ersten Prototypen umzusetzen.

Nur Ein Atom Dick

In den 1960-er Jahren sagten Forscher voraus, dass Graphit (reiner Kohlenstoff) in Schichten von der Dicke nur eines Atoms geschnitten werden könnte – mit dem Ergebnis ein Material zu erhalten, das als Graphen bekannt ist.

In den 1990-er Jahren gelang es Forschern Schichten zu erzeugen, die nur 100 Atome dünn waren. Aber danach gab es keinen Fortschritt mehr, bis 2004, der in Russland geborene Andre Geim einen Tesaspender von seinem Schreibtisch an der Universität von Manchester nahm, etwas Klebefilm auf eine dünne Schicht Graphit drückte und wieder abzog. Als er den Klebefilm unter dem Mikroskop betrachtete, entdeckt er eine nur ein Kohlenstoffatom dünne Schicht. Graphen war geboren!

Im Jahr 2010 bekamen Dr. Geim und sein Kollege Konstantin Novoselov gemeinschaftlich den Physik-Nobelpreis für ihre Arbeit, die die einzigartigen Eigenschaften von Graphen darlegte.

An der Spitze des Rudels bei NTNU

Sechs Monate bevor Dr. Geim und Dr. Novoselov in Stockholm ankamen, um ihren Preis entgegen zu nehmen, und bevor Graphen zum allgemein interessanten Thema wurde, hatte der, aus Süd-Korea stammende, post-doctoral Fellow Dong Chul Kim bei NTNU den Professoren Helge Weman und Bjørn-Ove Fimland vorgeschlagen, sich genau dieses Material näher anzusehen. Dieser Vorschlag kam kurz nachdem die NTNU-Gruppe erfolgreich Halbleiter-Nanodrähte aus Gallium Arsenid (GaAs) auf Silizium-Substrate aufgebracht hatte. Dies führe Dr. Weman zu der Überlegung, ob man nicht Halbleiter-Nanodrähte direkt auf Graphen aufbringen könnte.

Das vereinte Wissen von Professor Weman, Professor Fimland und Dr. Kim erwies sich als fruchtbare Kombination. Die Forscher erzielten 2010 schnell ihren ersten Durchbruch bei der Aufbringung von Halbleiter-Nanodrähten auf eine ein Atom dicke Basis und im Sommer 2012 publizierten sie ihre Ergebnisse im amerikanischen Journal Nano Letters.

Diese aktiven Halbleiter haben normalerweise eine Dicke von einem Mikron (ein Millionstel eines Meters).

Wird Silizium obsolet werden?

Graphen ist zur Zeit eindeutig das heißeste Thema unter Nanomaterial-Forschern. Das, aus reinem Kohlenstoff bestehende, Material ist bei weitem das dünnste und stärkste existierende Material. Es ist 200-mal härter als Stahl, leitet Elektrizität 100 mal schneller als Silizium und hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit als jedes andere Material. Es ist impermeabel, aber gleichzeitig biegsam und transparent. Eine preiswerte Massenproduktion von Graphen wird jetzt realisierbar.

Zur Zeit nutzen Elektronik und Solarzellen dicke Siliziumsubstrate. Aber Silizium hat eindeutige Grenzen, z. B. die Größe. Große Technologiekonzerne kämpfen zur Zeit damit auf Silizium basierende Elektronik herzustellen, die kleiner ist als die momentan auf dem Markt befindliche. Ein weiteres Problem bei der Nutzung von Silizium ist die große Hitzeentwicklung der auf Silizium basierenden Elektronik. Viele halten Graphen für den wahrscheinlichsten Kandidaten als Nachfolger von Silizium.

Große multinationale Unternehmen, wie IBM und Samsung, haben eine Menge Energie in die Forschung zu Graphen und Halbleitern gesteckt. Aber der wirkliche Durchbruch bei der Züchtung von Halbleitern auf Graphen fand im NTNU in Trondheim statt.

Die Ergebnisse dieser Forscher aus Trondheim könnten dazu genutzt werden Elektronik und Solarzellen herzustellen, die mehrere hundertmal dünner sind als die aktuellen. Dies wird es ermöglichen Elektronik herzustellen, die sowohl biegsam als auch transparent und zusätzlich billiger und Energie-effizienter ist.

Effizientere Solarzellen und LEDs

Wahrscheinlich wird es nicht mehr lange dauern bis einfach Produkte aus Graphen auf dem Markt erscheinen. Einige von ihnen werden auf Halbleitertechnologien beruhen.

Halbleiter sind ein Hauptbestandteil in fast allen modernen Elektroniken. Ohne sie würden wir keine Computer, Smartphones, Solarzellen, LED-Lampen oder Geräte, die Laser nutzen, d. h. alles vom Drucker bis zur Glasfaserübertragung, haben. All diese Dinge können mit Graphen kleiner und besser hergestellt werden. Graphen kann sowohl das Halbleitersubstrat ersetzen als auch als transparente Elektrode für biegsame, Nanodraht Solarzellen dienen.

„Solarzellen und LED Technologie werden die ersten Gebiete sein, auf denen man die neuen Produkte, die auf Graphen aufgebrachte Halbleiter nutzen, sehen wird“, glaubt Dr. Werman.

Zu billige fossile Brennstoffe tragen hauptsächlich zur globalen Erwärmung bei. Sonnenlicht ist eine alternative Quelle mit enormem Potenzial, aber Solarenergie muss billiger und effizienter werden. Halbleiter Nanodrähte auf Graphen könnten die Waagschale zu Gunsten der Solarenergie kippen.

„Mit der Nutzung von auf Graphen aufgebrachten Nanodrähten kann die selbe Menge Sonnenlicht mit einem Zehntel des Materialvolumens von Dünnschicht-Solarzellen umgewandelt werden. Das heißt es wird noch mehr Material eingespart durch die Aufbringung der Halbleiter auf Graphen statt auf dickem Halbleiter-Substrat. Neue Forschungen zeigen, dass Graphen zusätzliche, einzigartige Eigenschaften hat, die die Effizienz einer Solarzelle steigern,“ erklärt Dr. Weman.

LED Glühlampen sind in Bezug auf die Energie-Effizienz überlegen, waren in der Herstellung aber teurer wegen des teuren Halbleitersubstrats. Halbleiter Namodrähe auf Graphen werden es ermöglichen, die Welt mit LED Lampen zu versorgen, die viel billiger und effizienter und gleichzeitig biegsamer sind und weniger wiegen als heutige Lampen.

Die Industrialisierung erscheint am Horizont

Die Arbeiten an Graphen am NTNU haben die Aufmerksamkeit vieler internationaler Firmen erregt, die Interesse an einer Zusammenarbeit mit den Forschern aus Trondheim und ihrer Start-Up Firma, CrayoNano, haben. Aber bisher sind Anfragen aus der Industrie erst aus Asien und den USA gekommen. Akteure aus Norwegen und Europa haben bisher noch kein Interesse bekundet.

„Wir sind Pioniere in der Nutzung von Graphen für etwas anderes als Grundlagenforschung. Wir könnten unseren ersten Prototypen schon Ende 2013 realisiert haben, aber wir wollen noch nicht sagen, was es sein wird,“ sagt Dr. Weman.

„Unser Arbeitsgebiet – die Nutzung von Graphen als Ersatz für Silizium und andere Halbleitersubstrate in der Elektronik und für Solarzellen – bietet viele neue Möglichkeiten. Aber es besteht auch ein ebenso großes Potenzial für die Verwendung von Graphen in anderen Bereichen als der Elektronik, wie z. B. im medizinischen Bereich. Graphen kann im Körper eingesetzt werden ohne Schaden anzurichten“, erklärt Dr. Weman.

„In einer Welt, in der Trinkwasser knapp ist, ist die Nutzung von mit Sauerstoff modifizierten Graphen-Filtern zur Aufbereitung von Wasser eine weitere spannende Anwendung. Es ist eine vollkommen neue Methode Seewasser in frisches Trinkwasser zu verwandeln.“

In jedem Fall werden Forschung und Entwicklung noch für viele Jahre fortgesetzt werden müssen. Dr. Weman vergleicht den momentanen Stand der Graphen-Forschung mit derjenigen von Silizium in den 1960-er Jahren.