Een opvouwbare telefoon? STIBNITE zocht naar de perfecte halfgeleider

Grafeen, een prachtig materiaal dat bestaat uit één enkele laag koolstofatomen. Flexibel en extreem sterk. Een goed alternatief voor silicium, dachten de STIBNITE-wetenschappers. Silicium is niet zo flexibel en daarom niet geschikt voor nieuwe toepassingen zoals een opvouwbare telefoon of een flexibel display. Grafeen zou ook op andere gebieden, zoals efficiëntie en duurzaamheid, voor verbeteringen kunnen zorgen.

De onderzoekers wisten echter dat er een klein probleem was: grafeen is geen halfgeleider zoals silicium. En dat is juist een cruciale eigenschap voor het gebruik ervan in elektrische apparaten. ‘Grafeen gedraagt ​​zich eigenlijk te goed’, zegt hoogleraar Irene Groot van het Leids Instituut voor Chemie, een van de onderzoekers in het Europese consortium. ‘Dus we zeggen dat grafeen geen ‘bandgap’ heeft.’ Een bandgap is een soort energiebarrière die bepaalt of een materiaal elektriciteit kan geleiden of niet. Als een materiaal een grote bandafstand heeft, betekent dit dat het moeilijk is voor elektronen om door het materiaal te bewegen. Het materiaal is dus minder geleidend. Kleine bandafstanden zorgen ervoor dat materialen elektriciteit beter geleiden.

‘Door stoffen aan grafeen toe te voegen, kunnen we de elektrische eigenschappen ervan veranderen’

Van grafeen tot halfgeleider

Om grafeen in een halfgeleider te veranderen, voegen wetenschappers andere stoffen aan het materiaal toe. Groot: “Door deze ‘onzuiverheden’ aan grafeen toe te voegen, kunnen we de elektrische eigenschappen ervan veranderen.” Borium (B) en stikstof (N) lijken goede opties. Maar wanneer grafeen wordt gecombineerd met boornitride (BN), gebeurt er iets vreemds: het materiaal valt uiteen in kleine eilanden van grafeen en eilanden van boornitride, in plaats van een geheel te vormen. Daarom zochten STIBNITE-onderzoekers naar andere stoffen die konden worden toegevoegd zonder eilanden te creëren. Ze onderzochten de effecten van nieuwe organische moleculen die koolstof, stikstof en boor bevatten, in plaats van alleen koolstof of alleen boor en stikstof.

‘Het kan alleen maar doordat al deze experts samenwerken’

Groot: ‘We werken samen met experts uit verschillende specialismen in de natuur- en scheikunde. Experts in organische synthese, die de nieuwe organische moleculen hebben voorbereid; oppervlaktewetenschappers, die deze moleculen gebruikten om materialen te creëren en te karakteriseren; en chemische ingenieurs, die de materialen gebruikten om nieuwe apparaten te ontwikkelen en te testen. Samen zijn we erin geslaagd nieuwe materialen te ontwikkelen waarbij er geen aparte eilanden ontstonden. Met deze materialen hebben we zelfs de eerste nieuwe apparaten gemaakt!’