Illustration eines Graphen-Nanobandes mit Zickzackrändern und der für dessen Herstellung verwendeten Vorläufermoleküle. Elektronen an den beiden Zickzackrändern weisen entgegengesetzten Drehsinn (Spin) auf – ‚spin-up‘ am unteren (rot) beziehungsweise ‚spin-down‘ am oberen Rand (blau).

Illustration eines Graphen-Nanobandes mit Zickzackrändern und der für dessen Herstellung verwendeten Vorläufermoleküle. Elektronen an den beiden Zickzackrändern weisen entgegengesetzten Drehsinn (Spin) auf – ‚spin-up‘ am unteren (rot) beziehungsweise ‚spin-down‘ am oberen Rand (blau). Empa / Carlo Pignedoli

Weil elektronische Bauteile immer kleiner werden, stößt die Industrie mit Silizium als Halbleitermaterial allmählich an ihre Grenzen. Um das gut leitfähige Graphen für elektronische Bauteile wie Feldeffekt-Transistoren nutzen zu können, muss das Material allerdings durch Dotierung, beispielsweise mit Stickstoff, in einen Halbleiter verwandelt werden, um die elektronischen Eigenschaften der Graphenbänder noch weiter zu beeinflussen.

Wie die Fachzeitschrift ‚Nature‘ in ihrer aktuellen Ausgabe berichtet, ist es Forschern der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), des Max-Planck-Instituts in Mainz und der TU Dresden erstmals gelungen, solche Graphen Nanobänder (graphene nanoribbons, GNR) mit perfektem Zickzackrand herzustellen. Entlang der Längsrichtung der beiden Ränder richten sich die Elektronenspins jeweils alle gleich aus (ferromagnetische Kopplung). Gleichzeitig sorgt die so genannte antiferromagnetische Kopplung dafür, dass sich die Elektronenspins an gegenüberliegenden Rändern umgekehrt ausrichten. An einem Rand des Bandes befinden sich die Elektronen also alle im ‚spin-up‘-, am anderen im ‚spin-down‘-Zustand.

In der nun veröffentlichten Arbeit berichten die Forscher, wie sie aus geeigneten Kohlenstoff-Vorläufermolekülen GNR mit perfekt zickzackförmigen Rändern synthetisiert haben, die einer ganz bestimmten Geometrie entlang der Längsachse des Bandes folgen. Ein wichtiger Schritt, denn durch die Geometrie der Bänder und vor allem durch die Struktur deren Ränder können die Forscher diesen Graphenbändern unterschiedliche Eigenschafen verleihen.

An den Zickzack-GNR lassen sich an den Bandrändern zwei voneinander unabhängige Spin-Kanäle mit unterschiedlicher ‚Fahrtrichtung‘ (spin) erschliessen, ähnlich einer Autobahn mit getrennten Fahrbahnen. Über gezielt eingebaute strukturelle Defekte an den Rändern oder – etwas eleganter – über ein elektrisches, magnetisches oder optisches Signal von außen sollten sich so beispielsweise Spin-Barrieren und -Filter entwerfen lassen, die nur noch zum An- und Abschalten Energie benötigen – die Vorstufe eines nanoskaligen – und erst noch extrem energieeffizienten – Transistors.

Möglichkeiten wie diese machen GNR für spintronische Anwendungen beziehungsweise Bauelemente höchst interessant; diese nutzen sowohl die Ladung als auch den Spin der Elektronen. Aus dieser Kombination versprechen sich Forscher völlig neuartige Komponenten, etwa adressierbare magnetische Datenspeicher, die eingespeiste Informationen auch nach dem Abschalten des Stroms noch beibehalten.