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News: Nanoröhrchen in den Startlöchern

Elektronische Schaltkreise werden zusehends kleiner und komplexer. Und doch ist ein Ende abzusehen, denn irgendwann gehen dem Halbleiter Silizium schlicht die Elektronen aus. Zwar sind Forscher optimistisch, dass bis zu diesem Zeitpunkt Nanoröhrchen in die Bresche springen können - deren elektronische Eigenschaften sind aber längst noch nicht vollständig verstanden und zudem lässt sich ihr Herstellungsprozess noch nicht in gewünschter Weise steuern. Immerhin konnte nun eine Forschergruppe die elektronischen Eigenschaften einiger typischer Röhrchen klären, während es einem anderen Team gelang, metallische und halbleitende Exemplare voneinander zu trennen.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen nehmen einen besonderen Platz in der Nano-Forschung ein. Sie sind verhältnismäßig einfach aufgebaut – bestehend aus einer Lage aufgerollten Graphits – und haben dabei auch noch ganz einzigartige Eigenschaften: Ihr Durchmesser beträgt ein bis zwei Nanometer, sie sind einige Mikrometer lang, dabei ungeheuer reißfest und sowohl thermisch als auch chemisch extrem stabil. Nicht zuletzt sind sie exzellente Wärmeleiter und je nach Struktur mal halbleitend, mal metallisch leitend und manchmal sogar supraleitend. So vielseitig sie auch sein mögen, so lückenhaft ist das Wissen um sie.

Nun gelang jedoch der Forschergruppe um Charles Lieber von der Harvard University mit Untersuchungen unter dem Rastertunnelmikroskop ein tieferer Blick in die elektronische Struktur der filigranen Gebilde. Die Wissenschaftler untersuchten sowohl Röhrchen mit so genannter Zickzack-Struktur, als auch solche, die eine armchair-Struktur aufweisen. Die beiden Formen unterscheiden sich eigentlich nur dahingehend, dass bei der einen das hexagonale Gitter der Kohlenstoffatome um neunzig Grad gedreht vorliegt. Bislang ging man davon aus, dass beide Formen metallisch sind.

Lieber und seine Kollegen entdeckten jedoch, dass die Zickzack-Struktur eine so genannte Bandlücke aufweist, also kein vollständig metallisches Verhalten zeigt, sondern vielmehr die Eigenschaften eines Halbleiters besitzt. Das Team fand außerdem heraus, dass diese Lücke von dem Durchmesser des Röhrchens abhängig ist – je kleiner der Radius, desto größer die Bandlücke. Auch Cluster (Anhäufungen) der armchair-Struktur wiesen eine derartige Lücke auf, allerdings nicht einzeln vorliegende Exemplare, sie schienen vollständig metallisch zu sein.

Normalerweise entsteht bei der Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein Gemisch aus metallischen und halbleitenden Röhrchen. Noch kennen Wissenschaftler kein Verfahren, dass es erlaubt, gezielte Strukturen zu produzieren. So mussten bislang die Röhrchen auch mühselig "von Hand" sortiert werden. Zumindest dieser Vorgang lässt sich offenbar in Zukunft beschleunigen. Phaedon Avouris und seinen Kollegen vom IBM Watson Research Center in Yorktown Heights gelang es nämlich, ein Verfahren zu entwickeln, dass schnell die halbleitenden von den metallischen Exemplaren trennt.

Das erreichen die Forscher, indem sie kurzerhand alle metallischen Röhrchen vernichten. Dazu deponieren die Physiker zunächst eine Lage unsortierter Nanostrukturen auf einem Silizium-Wafer. Anschließend schreiben sie mit der so genannten Elektronenstrahllithographie die drei Elektroden eines so genannten Feldeffekttransistors – source, gate und drain – auf das Material. Durch Anlegen einer Spannung an die gate-Elektrode versetzen die Wissenschaftler die Halbleiter in ihren nicht-leitenden Zustand. Das schützt sie vor dem nun folgenden Stromstoß, der alle metallischen Röhrchen schlichtweg verdampfen lässt. Auf diese Weise konnte das Team bereits ein Netzwerk von Feldeffekttransistoren bauen – Bauelementen, die aus der heutigen Elektronik nicht mehr wegzudenken sind. Es scheint also, als ließe sich der Zeitplan einhalten, und Kohlenstoff-Nanoröhrchen würden die Erfolgsgeschichte des Siliziums weiterschreiben.

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  • Quellen
PhysicsWeb
Science 292(5517): 650–651 (2001)
Science 292(5517): 702–705 (2001)
Science 292(5517): 706–709 (2001)

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