Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ypsilon aus Kohlenstoff

27.11.2000


Am Berliner Max-Born-Institut haben Wissenschaftler erstmals Y-förmige einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren nachgewiesen/ Mögliche Alternativen für die Elektronik der Zukunft

Erstmals konnten Wissenschaftler vom Berliner Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) das Wachstum von einwandigen Y-förmigen Nanoröhren mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops nachweisen. Die winzigen Kohlenstoffmoleküle haben einen Durchmesser von etwas mehr als einem Nanometer. Die einzelnen Zweige sind ein bis mehrere Mikrometer lang. Die Entdeckung der Y-Röhren könnte besonders für einen Einsatz in der Elektronik - als Schalter, in Transistoren oder zur Vernetzung von Bauteilen - von Bedeutung sein. Grundlage für den Nachweis der Kohlenstoff-Ypsilons ist die Entwicklung eines neuen Herstellungsverfahrens am MBI.

Noch vor 15 Jahren hatten Forscher geglaubt, in der Welt des Kohlenstoffs sei alles geklärt - sie hatten sich gründlich getäuscht. 1995 entdeckten Wissenschaftler eine neue Modifikation des Kohlenstoffs. Neben Diamant und Graphit stellten sie der staunenden Öffentlichkeit die so genannten Fullerene vor. Das sind Kohlenstoffmoleküle, die in der Form eines Fußballs aus Sechs- und Fünfecken aufgebaut sind. Die stabilsten von ihnen enthalten genau 60 Kohlenstoffatome und haben einen Durchmesser von rund einem Nanometer. Ihre Entdecker, Robert F. Curl, Harold W. Kroto und Richard E. Smalley, wurden im Jahre 1996 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Winzige Hohlzylinder, vielfältige Anwendungen

1991, nur wenige Jahre nach der Entdeckung der Fullerene, fand der japanische Wissenschaftler Sumio Iijima die so genannten Nanoröhren. Hier bilden die Kohlenstoffatome winzige langgestreckte Hohlzylinder. Sie bestehen aus einem Gerüst von Kohlenstoff-Sechsecken - etwa so, als würde man eine Graphitschicht zusammenrollen. Nanoröhren können Längen bis zu 100 Mikrometern haben. Ihre Durchmesser reichen von weniger als einem bis zu mehreren Nanometern (ein Millionstel Millimeter). Durch Schachtelung mehrerer Röhrchen ineinander können auch Durchmesser weit über 100 Nanometer entstehen. Von besonderem Interesse für die Miniaturisierung in der Mikroelektronik sind die einwandigen Röhren.

Das große Interesse, das die Kohlenstoffzylinder seit ihrer Entdeckung bei den Wissenschaftlern gefunden haben, ist nicht nur darauf zurückzuführen, dass sie geradezu ideal der Vorstellung eines Quantendrahts entsprechen und deswegen bestens für die physikalische Grundlagenforschung geeignet sind. Auch im Bereich der Anwendung werden verschiedene Möglichkeiten diskutiert. Aufgrund ihrer hohen Reißfestigkeit könnten sie in starke Verbundmaterialien integriert werden, erste Feldemissionsquellen aus Nanoröhren für Flachbildschirme wurden bereits realisiert. Die Fähigkeit der Nanoröhren, Wasserstoffmoleküle zu speichern, und ihr geringes Gewicht macht sie zu interessanten Kandidaten für Wasserstoffspeicher, die als Tanks für Brennstoffzellen dienen könnten. In der Elektronik diskutieren Wissenschaftler über die Möglichkeit, die Nanoröhren in Bauteilen oder als dünnste Drähte zu verwenden. Dies würde eine weitere Verkleinerung von Schaltkreisen ermöglichen. Bevor diese Ideen verwirklicht werden können, bedarf es allerdings noch ausgedehnter Forschungsarbeiten.

Weltrekord der Dünnwandigkeit

Ein Schritt, der besonders für Anwendungen in der Elektronik von Bedeutung sein könnte, gelang nun einer Forschungsgruppe um Dr. Rudolf Ehlich am Max-Born-Institut. Erstmals konnte sie das Wachstum von Y-förmigen Nanoröhren nachweisen, deren Wand aus nur einer Graphitschicht besteht. "Etwa zur gleichen Zeit berichtete eine andere Arbeitsgruppe über die Herstellung mehrwandiger und damit dickerer Röhren", erklärt Ehlich. Der Weltrekord bezüglich dünner Y-Röhren bleibt jedoch den Berliner Physikern vorbehalten.

Ihr Erfolg beruht vor allem auf einem neuen Herstellungsverfahren, das sich grundlegend von den heute üblichen Methoden unterscheidet und gemeinsam mit dem ungarischen Wissenschaftler Dr. L. P. Biró vom Institut für Technische Physik und Materialforschung, Budapest, entwickelt wurde. Bei Standardverfahren wird gepresstes Graphitpulver, meist zusammen mit einem metallischen Katalysator, in einer Gasentladung oder mit einem Laserstrahl verdampft. Die Nanoröhren entstehen in einer Reaktionskammer bei Temperaturen um etwa 1000 °C. Zusammen mit Resten von amorphen Kohlenstoff schlagen sie sich auf einer Trägerscheibe nieder. Nanoröhren und amorpher Kohlenstoff werden dann in einem Reinigungsprozess unter Einsatz chemischer Lösungsmittel voneinander getrennt. Einwandige Y-Röhren konnten bei diesem Verfahren noch nie gefunden werden.

Die am MBI entwickelte Methode arbeitet anders. Die Nanoröhren wachsen auf einer Graphitschicht, die durch ihre ebenfalls sechseckige Grundstruktur quasi als Schablone für die Kohlenstoffröhrchen dient. Als Ausgangsmaterial verwenden die MBI-Physiker Fullerene, die zusammen mit katalytisch wirkendem Nickelpulver bei etwa 400 °C aus einem Tiegel verdampft werden. Durch das Nickel werden die Kohlenstoff-Fußbälle zum Teil zersetzt. Der Kohlenstoff trifft auf das Graphitsubstrat, auf dem er sich in Form von Nanoröhren abscheidet. Durch die von der Graphitunterlage vorgegebene Sechseckstruktur bilden sich wesentlich leichter Röhren. Die Anlagerung von amorphen Kohlenstoffpartikeln wird drastisch reduziert. Bringt man diese Graphitscheiben unter ein Rastertunnelmikroskop, so kann neben den bekannten ein- und mehrwandigen Nanoröhren auch die einwandige Y-förmige Variante nachgewiesen werden.

"Wir sind noch ganz am Anfang mit diesen Arbeiten", erklärt Ehlich. In weiteren Experimenten wollen die Wissenschaftler nun erforschen, warum die Verzweigungen auftreten und ob die so hergestellten Y-Röhren unbeschadet von den Graphitsubstraten abgelöst werden können.

In einer Weiterentwicklung dieses Verfahrens werden Nanoröhren durch Verwendung einzelner Laserpulse an einem durch den Laser-Fokus definierten Ort hergestellt. Das Ziel besteht darin, Nanoröhren so zu arrangieren, dass sie auf einem Substrat alle gleich ausgerichtet sind. Das Verfahren der Laserpuls-gesteuerten Deposition könnte auch zur Herstellung geordneter Matrizen von Nanoröhren dienen, die als Elektronen-Emitter für Flachbildschirme eingesetzt werden. Erste Flachbildschirme wurden zwar schon produziert, das neue Verfahren dürfte aber effektiver und damit wirtschaftlicher sein.

Röntgenlicht mit Nanoröhrchen?

Die Arbeiten am MBI beschränken sich nicht nur auf Untersuchungen zum Wachstum von Nanoröhren. In einem weiteren Projekt erforschen Wissenschaftler die Möglichkeit, mit Hilfe von Nanoröhren Licht im Röntgenbereich zu erzeugen. "Theoretische Untersuchungen von Dr. J. Herrmann am MBI haben gezeigt, dass parallel angeordnete Röhrchen eingestrahltes intensives Laserlicht mit einer veränderten Frequenz wieder abstrahlen. Dabei kann es bis zur Verhundertfachung der Frequenz kommen", erklärt Ehlich. Solche Arrangements könnten die Grundlage zur Entwicklung effektiver Strahlungsquellen im Röntgenbereich (bis etwa 2 nm) bilden.

Kontakt im Berliner Max-Born-Institut: Dr. Rudolf Ehlich, Tel.: 030 6392 1213; E-Mail: ehlich@mbi-berlin.de

Weitere Informationen finden Sie im WWW:

Joachim Moerke | idw

Weitere Berichte zu: Durchmesser Elektronik Kohlenstoff MBI Nanoröhre Y-Röhre

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neues Material mit magnetischem Formgedächtnis
04.06.2019 | Paul Scherrer Institut (PSI)

nachricht Weltraumschrott verringern: HZG-Wissenschaftler helfen beim Sauberhalten
30.05.2019 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: MPSD-Team entdeckt lichtinduzierte Ferroelektrizität in Strontiumtitanat

Mit Licht lassen sich Materialeigenschaften nicht nur messen, sondern auch verändern. Besonders interessant sind dabei Fälle, in denen eine fundamentale Eigenschaft eines Materials verändert werden kann, wie z.B. die Fähigkeit, Strom zu leiten oder Informationen in einem magnetischen Zustand zu speichern. Ein Team um Andrea Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg, hat nun Lichtimpulse aus dem Terahertz-Frequenzspektrum benutzt, um ein nicht-ferroelektrisches Material in ein ferroelektrisches umzuwandeln.

Ferroelektrizität ist ein Zustand, in dem die Atome im Kristallgitter eine bestimmte Richtung "aufzeigen" und dadurch eine makroskopische elektrische...

Im Focus: MPSD team discovers light-induced ferroelectricity in strontium titanate

Light can be used not only to measure materials’ properties, but also to change them. Especially interesting are those cases in which the function of a material can be modified, such as its ability to conduct electricity or to store information in its magnetic state. A team led by Andrea Cavalleri from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg used terahertz frequency light pulses to transform a non-ferroelectric material into a ferroelectric one.

Ferroelectricity is a state in which the constituent lattice “looks” in one specific direction, forming a macroscopic electrical polarisation. The ability to...

Im Focus: Konzert der magnetischen Momente

Forscher aus Deutschland, den Niederlanden und Südkorea haben in einer internationalen Zusammenarbeit einen neuartigen Weg entdeckt, wie die Elektronenspins in einem Material miteinander agieren. In ihrer Publikation in der Fachzeitschrift Nature Materials berichten die Forscher über eine bisher unbekannte, chirale Kopplung, die über vergleichsweise lange Distanzen aktiv ist. Damit können sich die Spins in zwei unterschiedlichen magnetischen Lagen, die durch nicht-magnetische Materialien voneinander getrennt sind, gegenseitig beeinflussen, selbst wenn sie nicht unmittelbar benachbart sind.

Magnetische Festkörper sind die Grundlage der modernen Informationstechnologie. Beispielsweise sind diese Materialien allgegenwärtig in Speichermedien wie...

Im Focus: Schwerefeldbestimmung der Erde so genau wie noch nie

Forschende der TU Graz berechneten aus 1,16 Milliarden Satellitendaten das bislang genaueste Schwerefeldmodell der Erde. Es liefert wertvolles Wissen für die Klimaforschung.

Die Erdanziehungskraft schwankt von Ort zu Ort. Dieses Phänomen nutzen Geodäsie-Fachleute, um geodynamische und klimatologische Prozesse zu beobachten....

Im Focus: Determining the Earth’s gravity field more accurately than ever before

Researchers at TU Graz calculate the most accurate gravity field determination of the Earth using 1.16 billion satellite measurements. This yields valuable knowledge for climate research.

The Earth’s gravity fluctuates from place to place. Geodesists use this phenomenon to observe geodynamic and climatological processes. Using...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Doc Data – warum Daten Leben retten können

14.06.2019 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - August 2019

13.06.2019 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz in der Materialmikroskopie

13.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

German Innovation Award für Rittal VX25 Schaltschranksystem

14.06.2019 | Förderungen Preise

Fraunhofer SCAI und Uni Bonn zeigen innovative Anwendungen und Software für das High Performance Computing

14.06.2019 | Messenachrichten

Autonomes Premiumtaxi sofort oder warten auf den selbstfahrenden Minibus?

14.06.2019 | Interdisziplinäre Forschung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics