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News: Nanoleuchte

Für unzählige Ideen mussten die Tausendsassa des Nanokosmos schon herhalten. Nun diente ein winziges Röhrchen aus Kohlenstoff auch als Lichtquelle.
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In zahlreichen elektronischen Geräten stecken kleine bunte Lämpchen – beispielsweise als Statusanzeige. Diese Leuchtdioden (LED) sind heute kaum mehr wegzudenken, sind sie doch viel haltbarer als Glühlampen und zudem auch sparsamer im Energieverbrauch. Denn im Vergleich zu ihren glühenden Brüdern produzieren sie kaum überschüssige Wärme.

Das Erfolgsrezept liegt in der Halbleiterstruktur der LEDs begründet. So besteht jedes Lämpchen aus zwei verschiedenen halbleitenden Materialien: einem, das einen Überschuss an Elektronen besitzt – der n-dotierte Halbleiter –, und einem anderen, das vor allem Löcher, also weniger Elektronen als üblich aufweist – ein p-dotierter Halbleiter. Diese beiden Materialien stehen in Leuchtdioden in direktem Kontakt zueinander.

Mit einem elektrischen Feld lassen sich Löcher und Elektronen in der Mitte des Bauteils zusammentreiben, wo die beiden Ladungsträger einander neutralisieren – rekombinieren, sagen Physiker auch. Da sich Elektronen und Löcher zuvor auf unterschiedlichen Energieniveaus bewegt haben, wird dabei Energie frei und zwar in Form eines Lichtquants. Ganz viele Rekombinationen liefern also das Licht einer Leuchtdiode.

Ganz Ähnliches hatten nun auch James Misewich und seine Kollegen vom IBM Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights im Sinn. Nur verwendeten die Forscher keine dotierten Halbleiter, sondern ein einziges Kohlenstoffröhrchen von gerade mal 1,4 Nanometer Durchmesser. Doch auch so ein Röhrchen verhält sich unter bestimmten Bedingungen wie ein Halbleiter. So konnten die Forscher bereits zuvor zeigen, dass ein Nanoröhrchen zwischen zwei Metallelektroden (Source und Drain), das auf einer dritten Elektrode (Gate) aufliegt, einen vortrefflichen Transistor abgibt.

Nur waren die Eigenschaften als Transistor diesmal nicht gefragt, das Röhrchen sollte Licht spenden. Dazu mussten also Elektronen (negative Ladung) und Löcher (positive Ladung) irgendwie im Röhrchen zusammengebracht werden. Prinzipiell kein Problem, denn mit der Gate-Elektrode unter dem Röhrchen lässt sich die gewünschte Ladungssorte gewissermaßen aus den Kontakten saugen.

Liegt diese Elektrode beispielsweise auf einem positiven Potential, dann wandern bevorzugt Elektronen ins Röhrchen, liegt sie hingegen auf einem negativen Potential, bequemen sich Löcher in den Kohlenstoff. Doch wie schafft man nun beide Ladungsträger gleichzeitig zum Ziel?

Nichts einfacher als das. Das Potential der Gate-Elektrode muss nur zwischen dem Potential der beiden anderen Elektroden liegen. Ein Beispiel: Die Source-Elektrode ist geerdet, die Drain-Elektrode auf +10 Volt gesetzt und an der Gate-Elektrode liegen +5 Volt an. Dann ist die Potentialdifferenz, also die Spannung, zwischen Source und Gate sowie zwischen Drain und Gate die gleiche – mit Ausnahme des Vorzeichens, das genau umgedreht ist.

An der Source-Elektrode drängen also Elektronen in das Röhrchen, während am anderen Ende Löcher hineinwandern. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladung wandern Elektronen und Löcher fortan in entgegengesetzte Richtungen im elektrischen Feld des Nanoröhrchens, das ja durch die Potentiale von Source und Drain vorgegeben ist. Irgendwo in der Mitte des Röhrchens treffen sich dann die Ladungsträger, und es kommt zur Rekombination – mit Lichteffekt versteht sich.

Tatsächlich konnten Misewich und Co eindeutig infrarotes Licht aus Richtung des Nanoröhrchens identifizieren – sogar polarisiert war es, vorgegeben durch die Richtung, in der das Röhrchen lag. Und bei infrarotem Licht muss es nicht bleiben, denn mit dem Durchmesser des Röhrchens lassen sich auch seine Energieniveaus und damit der energetische Abstand zwischen Elektronen und Löchern verändern. Das wiederum erlaubt die Farbe einzustellen, mit der die Winzlinge Licht emittieren.

Und was bringt's? Die Forscher schreiben: "Somit verheißen Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine kompakte, leicht zu integrierende, Nanometer große Quelle von Photonen für künftige photonische und optoelektronische Bauelemente zu sein." Na bitte!

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  • Quellen
Science 300: 783–786 (2003)

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