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News: Nanoröhren bleiben cool

Manche Wissenschaftler sehen in Nanoröhren die Leiterbahnen der zukünftigen, minituarisierten Technik. Doch bis dahin müssen die Forscher noch viel über die Eigenschaften der Bauteile lernen. Zum Beispiel bewegen sich die Elektronen in ihnen als Welle, weshalb die Röhren sich auch nicht wie gewöhnliche Widerstände erhitzen, sondern auch bei großen Strömen recht kühl bleiben.
Ein Wissenschaftlerteam vom Georgia Institute of Technology berichtet in Science vom 12.  Juni 1998, das es an Nanoröhren eine ballistische Leitfähigkeit beobachtet hätte. Bei diesem Phänomen passieren die Elektronen einen Leiter, ohne ihn zu erhitzen. In ihren Experimenten arbeiteten die Forscher mit Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, die bis zu fünf Mikrometer lang waren. "Ein ballistische Leitung in einem dreidimensionalen System dieser Größenordnung wurde vorher noch bei keiner Temperatur beobachtet", sagte Walt de Heer. "An dieser ultra-kleinen Elektronik bestünde sicher Interesse, denn sie zeigt, daß man den Stromfluß auf enge Bereiche begrenzen kann, ohne das betreffende elektronische Gerät zu erhitzen. Es entsteht somit auch eine neue Qualität der Elektronik, bei der die Wellennatur der Elektronen wichtig wird."

In ihrem relativ einfachen Versuchsaufbau verwandten die Forscher die Positionierungseinheit eines atomaren Kraftmikroskops. Sie stellten fest, daß der elektrische Widerstand der Kohlenstoff-Nanoröhren, die aus mehreren Schichten bestanden, unabhängig von Länge oder Breite der Röhren konstant blieb. Diese Quantenleitung kann bei größeren Strukturen nicht beobachtet werden. "In der klassischen Physik ist der Widerstand einer Metallstange proportional zur Länge", erklärte Zhong L. Wang. "Verdoppelt man die Länge, verdoppelt sich auch der Widerstand. Doch bei diesen Nanoröhren spielt es gar keine Rolle, ob sie kurz oder lang sind, denn der Widerstand ist von Länge und Durchmesser völlig unabhängig."

Das ist durchaus möglich, erläuterte de Heer, denn die Elektronen verhalten sich eher wie Wellen als wie Teilchen, wenn sie sich in Strukturen bewegen, die ungefähr so groß sind wie die Wellenlänge der Elektronen. "Die Elektronen passieren diese Nanoröhren so, als ob sie Lichtwellen wären, die einen optischen Wellenleiter passieren würden", sagte er. "Es gelten eher die Gesetze der Optik als der Elektronik."

In normalen Drähten geht die elektrische Energie der Elektronen im Leiter zum Teil verloren. Bei den Aufbauten mit Nanoröhren passiert das nur in den Leitungen, über welche die Röhren miteinander verbunden sind. Derartige Effekte waren vorher nur bei Strukturen beobachtet worden, die tausendmal kleiner waren. Daß sie jetzt auch in relativ großen Nanoröhren gesichtet wurden, war eine Überraschung. "Bis jetzt hielt man diese Effekte für exotisch, und sie wurden nur unter ganz besonderen Bedingungen festgestellt", sagte de Heer. "Nunmehr jedoch sehen wir sie in Hülle und Fülle, und dazu noch bei Zimmertemperatur mit sehr einfachen Geräten."

Aufgrund der fehlenden Erhitzung kann der Strom die Nanoröhren mit einer äußerst hohen Flußdichte durchlaufen. Wang und de Heer maßen Stromdichten von mehr als 10 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter. Wären die Nanoröhren wie normale Widerstände erhitzt worden, wäre die Temperatur auf 20 000 Kelvin gestiegen, was weit über der Verdampfungstemperatur von 700 Kelvin liegt. Obgleich diese Effekte nur in Nanoröhren von weniger als fünf Mikrometern Länge gemessen wurden, sind derartige Stromdichten jedoch weitaus größer, als daß sie von irgendeinem anderen Leiter erreicht werden könnten. Bei Längen über fünf Mikrometern hingegen, so glaubt de Heer, könnte die Elektronenstreuung den Effekt der ballistischen Leitung jedoch zunichte machen. "Wir können nur garantieren, daß wir diese Stromleitung bis fünf Mikrometer aufrechthalten können", sagte er. "Wir wissen nicht, was passieren wird, wenn man eine Leitung über längere Entfernungen ausprobiert. Es wird sich sicher nicht um eine Methode handeln, um Strom über größere Distanzen zu transportieren."

Bei ihrem Versuch befestigten die Forscher eine winzige Elektrode an einem Bündel Nanoröhren, aus dem an einem Ende eine einzelne, lange Röhre herausragte. Sie montierten das Bündel anstelle der Sonde, die normalerweise in einem atomaren Kraftmikroskop benutzt wird und schlossen die Elektrode an eine Batterie. Die hervorstehende einzelne Nanoröhre tauchten sie dann verschieden tief in ein Quecksilberbad, wodurch der Stromkreis geschlossen wurde. Der gemessene Widerstand blieb konstant, unabhängig davon, wie weit die Röhre in das Quecksilber ragte.

Die Forscher bestimmten den Widerstand von 20 Nanoröhren unterschiedlicher Längen und Durchmesser. Die Maße reichten von einem bis zu fünf Mikrometern Länge und 1,4 bis 50 Nanometer Durchmesser. In allen Fällen betrug der Widerstand 12,9 Kilo-Ohm.

Ungeachtet der Bedeutung ihrer Entdeckung warnt de Heer, daß elektronische Geräte, in denen Nanoröhren eingesetzt werden, vielleicht erst in Jahrzehnten realisierbar sein werden. Ein grundlegendes Problem sieht er darin, daß die heutigen Schaltkreise auf Silizium als Grundstoff aufgebaut sind, mit dem Kohlenstoffmaterialien nicht kompatibel sind. "Das wäre so, als würde man im Zeitalter der Vakuumröhren Siliziumtransistoren einführen", sagte er. "Man könnte die beiden einfach nicht miteinander kombinieren, denn sie stammen aus zwei unterschiedlichen Welten. Die Ergebnisse haben uns nur eine Tür geöffnet, wir wissen aber nicht, wie wir eine bessere Welt erbauen können. Man sollte die bisherigen Erkenntnisse als Beweis dafür sehen, daß die ballistische Leitung bei Zimmertemperaturen prinzipiell möglich ist".

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