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 Fachhochschule Südwestfalen entwickelt innovative Zinklamellenbeschichtung
13.07.2018 | Fachhochschule Südwestfalen

nachricht 3D-Druck: Stützstrukturen verhindern Schwingungen bei der Nachbearbeitung dünnwandiger Bauteile
12.07.2018 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

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

Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck

18.07.2018 | Energie und Elektrotechnik

BIAS erhält Bremens größten 3D-Drucker für metallische Luffahrtkomponenten

18.07.2018 | Verfahrenstechnologie

Verminderte Hirnleistung bei schwachem Herz

18.07.2018 | Medizin Gesundheit

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