Reißverschluss für Nanoröhrchen

Entwickler von Solarzellen und elektronischen Schaltkreise können von neuen Produktionsverfahren für filigrane Streifen aus Kohlenstoff profitieren

Nanoröhrchen mit Reißverschluss
Nanoröhrchen mit Reißverschluss

Stanford/Houston (USA) - Neue Materialien aus dem Element Kohlenstoff haben bisher immer einen wahren Forschungsboom rund um den Globus ausgelöst. Nach den Buckyballs stürzten sich Chemiker und Physiker auf die Nanoröhrchen, seit wenigen Jahren auf die extrem dünnen Schichten des Graphens und nun auf filigrane Nanobänder, die nur wenige Atome breit sind. Nun könnte die Verbreitung dieser "Nanoribbons" dank zweier neuer Syntheseverfahren stark beschleunigt werden. Über ihre für die Massenproduktion potenziell tauglichen Syntheseprozesse für Nanobänder berichten Forscher aus Stanford und Houston in der Zeitschrift "Nature".

"Diese Bänder sind sehr wichtige Strukturen, lassen sich aber bisher nicht einfach herstellen", sagt James Tour, Chemiker von der Rice University in Houston. Doch diese Hürde überwand seine Arbeitsgruppe nun mit aufgeschlitzten Röhrchen aus Kohlenstoff. Mit Hilfe von Schwefelsäure und dem stark oxidierend wirkenden Kaliumpermanganat dockten sie Sauerstoffatome an mehrwandige Nanoröhrchen an. Diese wirkten vergleichbar mit einem Reißverschluss, mit dem sich die Wand des Röhrchens der Länge nach öffnen ließ. Nach diesem Prozess entfernten Tour und Kollegen die Sauerstoffatome über eine Reduktion mit Ammoniumhydroxid. So entstanden 100 bis 500 Nanometer breite, transparente und elektrisch leitfähige Nanobänder aus Kohlenstoff. Da sich dieses Verfahren auch für große Mengen eignet, rechnet Tour nun mit Anwendungen der Nanobänder in Solarzellen oder flexiblen Touchscreens.

Schmalere Nanobänder mit einer Breite von 10 bis 20 Millionstel Millimeter sind keine elektrischen Leiter mehr, sondern Halbleiter. Das macht sie für den Aufbau von zukünftigen, elektronischen Schaltkreisen interessant. Die zweite Arbeitsgruppe um Hongjie Dai von der Stanford University entwickelte nun ein Produktionsverfahren, das ebenfalls die mittlerweile günstig verfügbaren, mehrwandigen Nanoröhrchen als Ausgangsmaterial nutzt. Diese Röhrchen deponierten die Forscher auf einer Siliziumunterlage und fixierten sie mit einer Kunststoffschicht aus Polymethylmehtacrylat (PMMA). Nach dem Erstarren konnte der Plastik-Film mit den eingelagerten Nanoröhrchen abgezogen werden. Die eingebetteten, noch vollständigen Nanoröhrchen setzten Dai und Kollegen danach einem Plasma aus Argon-Ionen aus. Binnen Sekunden ätzten sie so die obere Hälfte der Röhren weg. Die untere Hälfte blieb wegen des schützenden PMMA-Films unversehrt.

Je nach Länge dieses Ätzprozesses erhielten die Wissenschaftler ein- bis dreilagige, halbleitende Nanobänder in einer Breite von zehn bis zwanzig Nanometern. Die Kunststoff-Rückstände konnten sie mit Aceton und einem Aufheizen auf bis zu 300 Grad restlos von den filigranen Nanostreifen entfernen. Ein potenzielles Anwendungsfeld für die halbleitenden Bänder ist die Nanoelektronik. Gegenüber den bisher favorisierten Nanoröhrchen haben sie den entscheidenden Vorteil, dass sie immer halbleitend sind, und nicht aufwändig vorher von den elektrisch leitenden Strukturen getrennt werden müssen.

"Diese beiden Techniken ergänzen sich", sagt Mauricio Terrones vom Institute for Science and Technology Research in San Luis Potosi, Mexiko. In beiden Verfahren sieht er ein großes Potenzial für eine günstige und kontrollierbare Massenproduktion der Nanobänder. Gelingt das Skalieren auf größere Mengen, werden sich zahlreiche Forschergruppen auf dieses neue Kohlenstoff-Material stürzen, dessen physikalische und chemische Eigenschaften bis ins Detail bestimmen sowie heute noch nicht vorstellbare Anwendungen vorschlagen. "Doch noch ist dieses Spiel in einer sehr frühen Phase", weiß Hongjie Dai. Aber davon, dass ein Run auf die Nanobänder in den nächsten Jahren einsetzen wird, ist er überzeugt.