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Nanotechnologie: Ultradünne Graphenbänder dank molekularer Schablone

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Schnell, billig, flexibel – die Zukunft der Elektronik könnte zu einem gut Teil auf Kohlenstoff basieren. Insbesondere Kohlenstoffnanobänder gelten – neben Nanoröhrchen – in der Szene als aussichtsreiche Kandidaten, um das allgegenwärtige Silizium abzulösen. Noch scheitert es allerdings daran, das Potential der aus Graphen, also Kohlenstoffschichten von nur einer Atomlage Dicke, bestehenden Bauteile voll auszuschöpfen: Die Bänder können bislang nicht mit hoher Präzision in extrem geringen Breiten hergestellt werden.

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Graphenbänder mit gezacktem Rand | Durch Variation des Ausgangsmoleküls konnten die Forscher mit ihrem Verfahren auch Graphenbänder herstellen, die einen treppenartig gezackten Rand aufwiesen. Auch darüber lassen sich die Leitereigenschaften des Materials einstellen.
Zahlreiche Ansätze sind in der Diskussion, mit denen sich dieses Problem beheben lassen könnte. Nun hat eine Gruppe um Roman Fasel von der Universität Bern und Klaus Müllen vom Mainzer MPI für Polymerfoschung ein vielversprechendes neues Verfahren in den Ring geworfen. Anders als andere Forschergruppen, die Bänder produzieren, indem sie sie beispielsweise aus größeren Scheiben herausfräsen oder Röhrchen der Länge nach aufschneiden, verlegten sich Fasel, Müllen und Kollegen auf ein Bottom-up-Verfahren: Ihre Bänder wachsen aus identischen Grundbausteinen, die sich zu einer vordefinierten Form aneinanderlagern.

Laut ihrer jüngst veröffentlichten Studie ist es ihnen damit gelungen, 50 Nanometer lange Bänder mit einer Breite von lediglich einem Nanometer Breite zu produzieren. Damit liegt ihr Erzeugnis deutlich unter den geforderten zehn Nanometern, ab denen sich die Graphenbänder wie das halbleitende Silizium verhalten und über die erforderliche Bandlücke in ihren Atomen verfügen. Ohne diese Eigenschaft ist an einen Einsatz als Transistor nicht zu denken.

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Graphenbänder aus einer molekularen Schablone | Das Prinzip ähnelt dem Aufbau einer Raupenkette: Aus einzelnen Ausgangsmolekülen wird durch eine chemische Reaktion ein Polymer erzeugt, aus dem anschließend Wasserstoffmoleküle entzogen werden. So entsteht eine planare Struktur aus Graphen.
Die Vorgehensweise des Teams erinnert an die Konstruktion einer Kette von Raupenfahrzeugen: Hier bestehen die einzelnen Glieder allerdings zunächst aus kohlenstoffhaltigen Molekülen, die sich dank strategisch platzierter Bromatome zu einer flächigen Kette aneinanderlagern. In einem zweiten Schritt werden die noch verbliebenen Wasserstoffatome des Ausgangsmoleküls entfernt – zurück bleiben Bänder aus reinem Kohlenstoff, deren Dicke von der Breite des Ausgangsmoleküls abhängt.

Darüber hinaus konnten die Forscher auch die Ausformung des Rands präzise kontrollieren – gezackte oder glatte Bänder schlagen sich ebenfalls in unterschiedlichen Schalteigenschaften des Endprodukts nieder. Eine Kontrolle der Randform erreichten sie mit Hilfe von Variationen im Ausgangsmolekül, die die Art, in der sich die einzelnen Bausteine aneinanderlagern, beeinflussen lässt. Auch Kreuzungen von mehreren Graphenketten seien so möglich.

Um das Verfahren alltagstauglich zu machen, sei es allerdings erforderlich, die erzeugten Bauteile auf Silizium zu übertragen oder direkt dort wachsen zu lassen, so die Wissenschaftler. Bislang findet der Prozess noch auf Gold- oder Silberoberflächen statt. (jd)

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