Auf die Röhre geschaut

Feine Röhrchen aus Kohlenstoff sind zu Strängen gebündelt.

Bildbeschreibung:
Feine Röhrchen aus Kohlenstoff sind zu Strängen gebündelt und wie Spaghetti ineinander verschlugen (Bild 1). Mit dem Rastertunnelmikroskop (RTM) lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften solcher Nanotubes darstellen: Manche sind Leiter - dann fließt besonders viel Strom zwischen der Probe und der Tunnelspitze des Mikroskops, andere Halbleiter - dann fließt weniger Strom. Im Bild 2 wird das als eine Mischung dunkler und heller Röhrchen sichtbar (RTM-Aufnahme).

Viele Experten sind überzeugt, dass winzigen Röhrchen aus Kohlenstoff - englisch: Nanotubes - die Zukunft gehört. Sie gelten als perfekte Faser für zugfeste Werkstoffe, als ideale Substanz für Flachbildschirme und als gutes Material für Nanoelektronik-Bauelemente. Hinter dem Namen Nanotubes verbergen sich jedoch verschiedene Stoffe. Jülicher Wissenschaftlern gelang es, deren unterschiedliche Eigenschaften unter dem Mikroskop sichtbar zu machen.

Diamanten sind für viele Menschen die edelste und faszinierendste Form, in der sich Kohlenstoff-Atome anordnen können. Wissenschaftler jedoch begeistern sich meist für eine andere Art - Fachjargon: Modifikation - des Kohlenstoffs: die Nanotubes. Ihren Namen verdanken die 1991 entdeckten Röhren ihren Ausmaßen: Die dünnsten von ihnen haben einen Durchmesser von lediglich einem Nanometer (Millionstel Millimeter; Bild 1).

Leiter und Halbleiter: eine Mischung dunkler und heller Röhrchen.

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Feine Röhrchen aus Kohlenstoff sind zu Strängen gebündelt und wie Spaghetti ineinander verschlugen (Bild 1). Mit dem Rastertunnelmikroskop (RTM) lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften solcher Nanotubes darstellen: Manche sind Leiter - dann fließt besonders viel Strom zwischen der Probe und der Tunnelspitze des Mikroskops, andere Halbleiter - dann fließt weniger Strom. Im Bild wird das als eine Mischung dunkler und heller Röhrchen sichtbar (RTM-Aufnahme).

1995 hat ein Wissenschaftlerteam an der texanischen Rice University einen Weg gefunden, die bizarren Kohlenstoff-Moleküle in größeren Mengen herzustellen. Seitdem arbeiten Forscher weltweit daran, sich die außergewöhnlichen mechanischen und elektronischen Eigenschaften der Nanotubes zu Nutze zu machen. So ist die Zugfestigkeit einzelner Kohlenstoff-Röhrchen zehnmal größer als die von Stahl, bei nur einem Sechstel von dessen Gewicht. Ihre Steifigkeit ist fast doppelt so groß wie die von Diamant, dem bislang steifsten Material der Welt. Doch ein ultraleichter und stabiler Werkstoff aus Nanotubes wird wohl noch länger ein Traum bleiben: Es fehlt eine Methode, mit der sich die meist nur zwischen einem und zehn Mikrometer (Tausendstel Millimeter) langen Röhren fest miteinander verbinden lassen. Außerdem ist ihre Herstellung für einen Massenbaustoff noch viel zu kostspielig - schließlich ist diese Form des Kohlenstoffs derzeit zehnmal teurer als Gold.

Vom Forscher-Spielzeug zum Flachbildschirm

Weiter fortgeschritten ist der Versuch, Nanotubes in Flachbildschirmen oder in besonders energiesparenden und langlebigen Lampen einzusetzen. So haben japanische Wissenschaftler bereits den Prototyp einer Nanotube-Lampe vorgestellt. In spätestens zwei Jahren soll ein Flachbildschirm auf den Markt kommen, bei dem Elektronen aus den Spitzen von Nanotubes sprühen und auf einem mit Leuchtstoffen beschichteten Schirm ein Bild erzeugen.

Rastertunnelmikroskop

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Kontrolliert die Qualität von Nanotubes: Der Physiker S. Eisebitt am Rastertunnelmikroskop.

Die elektronischen Besonderheiten der exotischen Kohlenstoff-Modifikation beflügeln auch die Forscher der Computerindustrie. Bei der Firma IBM etwa werden die Röhren auf ihre Tauglichkeit als Transistoren untersucht. Darüber hinaus sind die Nanotubes im Gespräch als hauchdünne Verbindungen zwischen einzelnen elektronischen Bauteilen. Transistor und elektrische Verbindung - auf den ersten Blick ein Gegensatz: Für das eine braucht man halbleitendes Material und für das andere einen Leiter.

Auf den richtigen Dreh kommt's an

Die Auflösung des Widerspruchs: Von der Struktur her besteht eine Nanoröhre aus einer zusammengerollten Schicht Graphit - jenes Material, aus dem Bleistifte sind. "Ob die Röhre halbleitend oder leitend ist, hängt davon ab, auf welche Art die Graphitschicht aufgerollt ist", sagt Dr. Stefan Eisebitt vom Institut für Festkörperforschung (IFF). Mit anderen Worten: Nanotube ist nicht gleich Nanotube. Bei der Herstellung fallen stets Mixturen verschiedener Röhrchen an. Sie unterscheiden sich nicht nur in ihrem Durchmesser und ihrer Länge, sondern eben auch in ihren elektronischen Eigenschaften (Bild 2).

Physiker S. Eisebitt kontrolliert die Qualität von Nanotubes

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Kontrolliert die Qualität von Nanotubes: Der Physiker S. Eisebitt am Rastertunnelmikroskop.

Wissenschaftler benötigen jedoch für viele potenzielle Einsatzgebiete Nanotubes nur eines Typs. Eisebitt und seine Mitarbeiter Ingo Wirth und Gunther Kann haben deshalb eine Methode entwickelt, mit der sich feststellen lässt, wie sortenrein Nanotube-Material ist. Für ihre Untersuchungen nahmen die drei Wissenschaftler mit dem Rastertunnelmikroskop ein Bild von Nanotubes auf, die von Forschern der Rice University hergestellt worden waren. "Was wir sahen, ähnelte einem Teller mit Spaghetti", sagt Eisebitt. Jede der "Nudeln" bestand dabei aus einem Bündel unzähliger Nanotubes.

Qualitätskontrolle in der Nanowelt

Spitze des Rastertunnel- mikroskops.

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Computeranimation von der Bewegung einer Mikroskopspitze über einer mit Nanometer kleinen Strukturen besetzten Fläche.

Die Aufnahme des Bildes war aber nur das Vorspiel. Die Jülicher Physiker setzten das Rastertunnelmikroskop anschließend auf unkonventionelle Weise ein. Normalerweise wird eine konstante Spannung an die Mikroskopspitze angelegt, während diese über einen Bereich der Probe fährt. Eisebitt und sein Team positionierten dagegen die ruhende Spitze des Mikroskops an 100 ausgesuchten Punkten über dem Nanotube-Material und variierten jeweils die Spannung zwischen Probe und Spitze. Durch Messung des resultierenden Tunnelstroms konnten sie dann bestimmen, ob das Material am untersuchten Punkt leitend oder halbleitend war: Bei einem Leiter steigt der Strom mit zunehmender Spannung an, bei einem Halbleiter fließt dagegen zunächst kein Strom. Erst bei ausreichend hoher Spannung beginnt ein Halbleiter, ebenfalls Strom zu leiten.

Das Ergebnis der Untersuchung: Das Nanotube-Material der US-Forscher war keineswegs einheitlich, sondern bestand ungefähr zur Hälfte aus halbleitenden und aus leitenden Röhrchen - aus Sicht des Teams von der Rice University wohl eher ein unbefriedigendes Resultat. Eisebitt dagegen freut sich: "Die Qualität von Nanotube-Material kann nun besser als bisher beurteilt werden."

Mit dem Mikroskop ein Mikroskop beobachten

Wie verstreute Kiesel an einem Seeufer liegt das Blei auf der Metalloberfläche. Hin und her bewegt sich die Spitze des Rastertunnelmikroskops (RTM) über einen der "Kiesel", der rund ein Tausendstel Millimeter groß ist - zu klein, als dass man ihn mit bloßem Auge erkennen könnte (Bild 3a). Sichtbar werden Kiesel und Spitze durch die raffinierte Kombination eines RTMs mit einem Elektronenmikroskop (Bild 3b).

Kombination aus Rastertunnel- und Elektronenmikroskop

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Die Computergrafik zeigt im Prinzip die Kombination von zwei Mikroskopiemethoden

Was Wissenschaftler des Instituts für Grenzflächenforschung und Vakuumphysik hier ausgetüftelt haben, ist keineswegs Selbstzweck: "Das RTM liefert atomar genaue Informationen über die Form der Bleiinseln, die mit einem Elektronenmikroskop nicht zu erhalten sind", sagt der Physiker Arndt Emundts vom Institut für Grenzflächenforschung und Vakuumphysik. Diese Informationen sind wichtig, um zum Beispiel Oberflächenenergien zu bestimmen. "Andererseits ist es schwierig mit einem RTM den Überblick zu behalten", erklärt Emundts. Konkret bedeutet das: Die Tunnelspitze würde ohne das Kontrollbild aus dem Elektronenmikroskop häufig nur Bilder zwischen den "Kieseln" aufnehmen - die Bleiinseln, für die sich die Physiker interessieren, könnten so nur schlecht erforscht werden.