Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanoelektronik gelötet

18.07.2001


Abb. 1. Kohlenstoff-Nanoröhrchen, bestehend aus zwei Schalen. Das von Iijima entwickelte Modell zeigt die Helizität (Schraubensinn) der Graphitschichten.


Abb. 2. Zwei Kohlenstoff-Nanoröhrchen vor (oben) und nach (unten) Abscheidung des amorphen Kohlenstoffs als »Lötmittel«. Die Aufnahmen sind an dem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop der Universität Ulm entstanden.


Wie sich Kohlenstoff-Nanoröhrchen miteinander verbinden lassen

Mit der Entdeckung der Fullerene im Jahre 1985 begann eine Renaissance des elementaren Kohlenstoffs. Vor allem als sich herausstellte, daß die fußballförmigen Fullerene nur eine von vielen möglichen Architekturen des graphitischen Kohlenstoffs sind, setzte eine ungeheure weltweite Aktivität zur Erforschung der neuen Kohlenstoff-Nanoteilchen ein. Als wichtigste neue Modifikation gelten inzwischen Nanoröhrchen, die 1991 von Iijima in Japan entdeckt wurden. Sie bestehen aus einer oder mehreren konzentrischen, zylinderförmigen Graphitlagen (s. Abb. 1). Inzwischen gibt es eine Vielzahl von relativ einfachen Verfahren, Kohlenstoff-Nanoröhrchen herzustellen, z.B. durch Kondensation von Kohlenstoffdampf in einer Lichtbogenentladung.

Einlagige Kohlenstoff-Nanoröhrchen können Durchmesser von weniger als einem Nanometer, mehrlagige bis zu einigen zehn Nanometern haben. Damit sind sie nicht nur die kleinsten bekannten röhrenförmigen Gebilde in der Natur, sondern verfügen auch über ungewöhnliche Eigenschaften, die inzwischen für zahlreiche Rekorde in der Materialwissenschaft gesorgt haben. Ihre Reißfestigkeit übertrifft die der bisher stärksten Faserwerkstoffe um ein Vielfaches. Dabei verhalten sich die Röhrchen auch bei extremen Verbiegungen vollkommen elastisch und ermüdungsfrei. Inzwischen sind es jedoch hauptsächlich ihre elektrischen Eigenschaften, die ihnen eine große Zukunft versprechen. Die hohe elektrische Leitfähigkeit sorgt zusammen mit dem kleinen Durchmesser für ideale Eigenschaften als Feldemitter, die z.B. in der Bildschirmtechnik eine Schlüsselrolle spielen. Samsung in Korea hat bereits die ersten Displays mit Feldemittern auf der Basis von Nanoröhrchen vorgestellt. Bereits in wenigen Jahren könnte die Technologie der Flachbildschirme mit Hilfe von Nanoröhrchen revolutioniert und kommerziell erhältlich sein.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben weitere Eigenschaften, die sie für Anwendungen in der Nanoelektronik höchst interessant machen. Kohlenstoffatome in einer Graphitlage bilden ein wabenförmiges Muster aus Sechsecken. Wie in Abb. 1 gezeigt, kann diese Graphitschicht einen Schraubensinn (Helizität) definieren, wenn man sie zu einem Zylinder aufrollt. Je nach Helizität verhält sich das Röhrchen entweder metallisch, also elektrisch ideal leitend, oder halbleitend. In der metallischen Konfiguration können Nanoröhrchen somit als Drähte verwendet werden, um kleinste elektronische Bauelemente miteinander zu verbinden. Bauelemente in der Nanoelektronik können auch aus halbleitenden Nanoröhrchen selbst aufgebaut sein. Vor wenigen Monaten wurde an der Universität Delft der erste bei Zimmertemperatur funktionsfähige Transistor auf der Basis von Nanoröhrchen im Labor realisiert. Damit Kohlenstoff-Nanoröhrchen miteinander und mit ihrer Peripherie verschaltet werden können, müssen elektrisch leitfähige Kontakte hergestellt werden, wie es z.B. durch Löten in der heutigen Elektronik geschieht. Auf dem Maßstab der Nanoröhrchen ist Löten mit flüssigen Metallen oder Punktschweißen nicht mehr ohne weiteres durchführbar. Es wurde deshalb seit längerem nach einer Methode gesucht, die leitfähige Verbindungen auf dem Maßstab von Nanometern herstellen kann. Eine solche Methode hat kürzlich PD Dr. Florian Banhart in der Zentralen Einrichtung Elektronenmikroskopie (Leiter Prof. Dr. Paul Walther) an der Universität Ulm entdeckt.

Proben, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthielten, wurden längere Zeit unter normalen Umgebungsbedingungen gelagert. Dabei scheiden sich auf den Nanoröhrchen, wie auf fast allen Materialien, kleine Mengen von Kohlenwasserstoffen aus der Luft ab. Diese Probenkontamination ist seit langem wohlbekannt und im allgemeinen unerwünscht, da auf diese Weise saubere Oberflächen allmählich mit einer dünnen Kohlenwasserstoffschicht bedeckt werden. Bei Zimmertemperatur sind diese Kohlenwasserstoffmoleküle hochbeweglich und wandern beständig auf den Oberflächen. Wird eine solche Probe im Elektronenmikroskop dem für die Abbildung benötigten hochenergetischen Elektronenstrahl ausgesetzt, wandeln sich die Kohlenwasserstoffe unter dem intensiven Elektronenbeschuss in amorphen Kohlenstoff um, wobei der abgespaltene Wasserstoff entweicht. Der amorphe Kohlenstoff ist jedoch nicht mehr beweglich, was zur Folge hat, dass ständig Kohlenwasserstoff-Moleküle in den bestrahlten Bereich hineinlaufen, wo sie gespalten werden und als amorpher Kohlenstoff zurückbleiben. Auf diese Weise kann in dem bestrahlten Bereich je nach Bestrahlungsdauer kontrolliert eine bestimmte Menge an Kohlenstoff abgeschieden werden. Unter fortgesetzter Bestrahlung wandelt sich der amorphe in graphitischen Kohlenstoff um, der elektrisch leitfähig ist.

Banhart führte dieses Experiment in einem kürzlich an der Universität Ulm installierten höchstauflösenden Rasterelektronenmikroskop durch. Zwei einander überkreuzende Nanoröhrchen wurden an der Kreuzungsstelle mit einem fokussierten Elektronenstrahl bestrahlt, so daß sich dort amorpher Kohlenstoff festsetzte. Dies ist in Abb. 2 gezeigt. Die allmählich graphitisierende Kohlenstoff-Abscheidung verbindet nun die vorher lose aufeinanderliegenden Nanoröhrchen. Detaillierte Untersuchungen des Kreuzungspunktes mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop zeigen, dass der abgeschiedene Kohlenstoff tatsächlich graphitisiert vorliegt und die Röhrchen in idealer Weise verbindet. Da der Elektronenstrahl im Elektronenmikroskop auf einen Durchmesser von weniger als einem Nanometer fokussiert werden kann, sind in dieser Größenskala gezielte Abscheidungen von Kohlenstoff möglich. Dr. Banhart will nun in einem weiteren Schritt in Kooperation mit externen Spezialisten die elektrische Charakterisierung dieser Kontakte vornehmen. Bei der heutigen Kenntnis über die Natur des abgeschiedenen Kohlenstoffs ist zu erwarten, daß ein derartiger Kontakt eine gute elektrische Verbindung zwischen den Nanoröhrchen herstellt. Damit steht jetzt ein »Lötenverfahren« auf der Nanometerskala zur Verfügung.

Das Hauptproblem bei der Anwendung von Nanoröhrchen in der Nanoelektronik stellt das gezielte Anordnen der Röhrchen in einem Netzwerk dar. Wenn aber die Röhrchen einmal »richtig liegen«, sollte die Integration des neuen Lötverfahrens in einen technischen Prozess keine besonderen Schwierigkeiten mehr bereiten, da mit der Elektronenstrahl-Lithographie bereits ein Werkzeug zur computergesteuerten Behandlung von Oberflächen mit Elektronenstrahlen vorhanden ist.

Peter Pietschmann | idw

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Studie InLight: Einblicke in chemische Prozesse mit Licht
22.11.2016 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Eigenschaften von Magnetmaterialien gezielt ändern
16.11.2016 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie