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News: Elektronenröhrchen

Schon jetzt gelten Nanoröhrchen als die Tausendsassas der Materialwissenschaften. Eine weitere potenzielle Anwendung gesellt sich nun zu den unzähligen möglichen Einsatzgebieten und könnte ganz neues Licht auf die Nanoforschung werfen.
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Elektronen überschreiten die Grenze, die dem sichtbaren Licht auferlegt ist: Denn mit einem normalen Lichtmikroskop lassen sich gerade eben noch Strukturen auflösen, die in etwa so groß sind wie die Wellenlänge des Lichts. Bei kleineren Abmessungen helfen nur noch Tricks weiter oder eben Elektronen, denn deren Wellenlänge lässt sich durch ihre Geschwindigkeit nahezu beliebig einstellen. Und die Geschwindigkeit der Ladungsträger kann man wiederum durch ein elektrisches Feld bestimmen.

So können Elektronenmikroskope Objekte in der Größenordnung von Nanometern und kleiner sichtbar machen. Selbst der Blick in den atomaren Aufbau der Materie ist möglich.

Neben vielen anderen Faktoren, welche die Güte eines Elektronenmikroskops bestimmen, ist es vor allem die Elektronenquelle, die für die Qualität der Abbildung ausschlaggebend ist. Viele hochauflösende Mikroskope nutzen hierzu einen dünnen, haarnadelförmigen Wolframdraht. Der Stromfluss durch diesen Draht heizt das Material Wolfram dabei derart stark auf, dass Elektronen aus dem Metall austreten. Ein elektrisches Feld beschleunigt sie anschließend in Richtung Probe. Der Nachteil dieser Elektronenquelle ist jedoch, dass die Elektronen mit teils stark variierender Energie austreten, was letztlich die Abbildungseigenschaften des Mikroskops negativ beeinflusst.

Niels de Jonge, seine Kollegen von den Philips Research Laboratories in Eindhoven sowie Tjerk Oosterkamp vom Leiden Institute of Physics haben nun mit einer neuen Elektronenquelle experimentiert, die hierbei deutlich besser abschneidet: dem Nanoröhrchen. Diese Winzlinge aus Kohlenstoff haben schon durch so manche Eigenschaft verblüfft, doch eine reale Anwendung blieb meistens außen vor.

Doch jetzt könnte es endlich soweit sein: Denn als so genannte Feldemissionskathode leisten die Kohlenstoffröhrchen gute Dienste. Hierbei werden die Elektronen nicht thermisch freigesetzt, sondern durch das elektrische Feld. Dazu muss die Spitze einer Feldemissionskathode jedoch extrem scharf sein, denn man macht sich bei der Emission die starke Zunahme der elektrischen Feldstärke an einer spitzen oder scharfkantigen Elektrode zunutze (Spitzenwirkung). Das Feld ist dann nämlich lokal so stark, dass die Elektronen förmlich aus dem Material gesaugt werden. Der gleiche Effekt sorgt sonst beispielsweise dafür, dass Blitze in Blitzableiter einschlagen.

Feldemissionskathoden gibt es zwar schon lange, doch erkaufte man sich die vergleichsweise scharfe Energieverteilung der Elektronen dieser Quellen durch andere Nachteile. So ist es beispielsweise nicht einfach, aus diesen Kathoden einen stabilen Elektronenstrom zu ziehen, da sich die Spitze ständig verändert. Auch setzt den Metallelektroden das unvermeidliche Ionen-Bombardement zu. Denn im gleichen Maße, wie das Feld die negativen Elektronen von der Kathode weg beschleunigt, zieht es positiv geladene Ionen an und lässt sie auf die Spitze treffen.

Ein Kohlenstoff-Röhrchen von wenigen Nanometern Durchmesser und einigen Mikrometern Länge erweist sich hingegen als deutlich stabiler. Ihm kann aufgrund seiner stabilen Bindungen das Bombardement an Ionen nichts anhaben. Und auch das Feld kann noch so viel ziehen und zerren, die Kohlenstoffatome des Röhrchens bleiben stoisch an ihrem Platz – lange Lebensdauer scheint also garantiert. Aber stimmen auch die elektrischen Eigenschaften der Röhrchen?

Ein wichtiger Parameter, der etwas über die Güte einer Elektronenquelle aussagt, ist die reduced brightness. Sie ist normalerweise bei einer Quelle konstant und gibt an, wie groß der Strom pro Fläche maximal sein kann. Je größer dieser Wert, desto besser. Wie sich zeigte, ist die reduced brightness rund zehnmal so groß wie bei den bislang besten Feldemissionsquellen. Mehr Elektronen bedeuten gleichzeitig mehr Helligkeit und mehr Kontrast in den Abbildungen, womit Elektronenmikroskope, die mit einer entsprechenden Kathode ausgestattet sind, vielleicht noch kleinere Details darstellen können. Auch die Elektronenstrahllithographie, welche den Strahl zum Schreiben von nanometergroßen Strukturen nutzt, würde von der neuen Quelle profitieren. Denn mit höherer Elektronenintensität verringert sich gleichzeitig die Belichtungszeit für die verwendeten Photolacke.

Kurzum, die Nanoröhrchen scheinen einmal mehr ihr universelles Talent bewiesen zu haben, und anders als bei vielen anderen potenziellen Anwendungsmöglichkeiten ist diesmal der Erfolg auch greifbar und vermutlich auch bezahlbar. Denn für die Feldemissionskathoden braucht es schließlich nur ein einziges der im Gros sündhaft teuren Röhrchen. Aber wer weiß, was es kostet, die Winzlinge in einem industriellen Verfahren an die Spitze einer Metallnadel zu kleben? Die Forscher in den Niederlanden brauchten dazu zumindest einen speziellen Nano-Manipulator und sicherlich eine ruhige Hand.

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