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 Dehnbare Elektronik: Neues Verfahren vereinfacht Herstellung funktionaler Prototypen
17.10.2019 | Universität des Saarlandes

nachricht Für höhere Reichweiten von E-Mobilen: Potentiale von Leichtbauwerkstoffen besser ausschöpfen
17.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

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

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Dehnbare Elektronik: Neues Verfahren vereinfacht Herstellung funktionaler Prototypen

17.10.2019 | Materialwissenschaften

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