Von Uta Bilow
16. Juli 2008 Nanoröhrchen aus Kohlenstoff wecken bei Materialwissenschaftlern nach wie vor Begeisterung. Denn die winzigen zylinderförmigen Gebilde, die aus zusammengerollten Graphitschichten bestehen, haben besondere Eigenschaften: Sie sind äußerst zugfest, aber auch enorm flexibel. Zudem können sie Wärme und elektrischen Strom gut leiten. Schon lange versucht man, die Nanoröhrchen beispielsweise in der Elektronik zu nutzen. Wegen ihrer Abmessungen im Bereich von millionstel Millimetern gelten sie unter anderem als Kandidaten für extrem winzige Schaltkreise. Einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg hin zu einer molekularen Elektronik aus Nanoröhrchen kann nun eine amerikanisch-koreanische Forschergruppe verzeichnen.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen besitzen, abhängig von der Anordnung der Atome in den Graphitschichten, entweder halbleitende oder metallische Eigenschaften. Während die metallischen Exemplare beispielsweise als winzige Drähte interessant sind, benötigt man für die Konstruktion von Transistoren die halbleitenden Zylinder. Bei der Herstellung der Röhrchen fällt bedauerlicherweise stets ein Gemisch aus halbleitenden und metallischen Röhrchen an, die aufwendig voneinander getrennt werden müssen.
Fischen nach Nanoröhrchen
Eine weitere Schwierigkeit bereitet noch immer die gezielte Anordnung der Moleküle auf einem Siliziumwafer. Zwar gibt es bereits Dioden, Feldeffekt-Transistoren und einfache logische Schaltkreise aus Nanoröhrchen. Sie sind aber in mühevoller Handarbeit gefertigt worden. Zhenan Bao und ihre Kollegen von der Stanford Universität in Palo Alto (Kalifornien) präsentieren nun gemeinsam mit Forschern vom Samsung Advanced Institute of Technology in Gyunggi-do (Südkorea) ein Verfahren, mit dem sich Transistoren aus Nanoröhrchen auf einfache Weise herstellen lassen.
Die Forscher brachten auf herkömmlichen Siliziumträgern, die mit einer Oxidschicht überzogen waren, Silizium-Sauerstoff-Verbindungen auf, an denen Amingruppen hingen. Die Oberfläche der Wafer war dadurch mit den Abkömmlingen des Ammoniaks bedeckt. Die modifizierten Siliziumträger wirken wie winzige Angeln. Taucht man sie in eine Lösung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, bleiben die halbleitenden Zylinder an dem mit Amingruppen beschichteten Silizium haften. So lässt sich aus einer Mischung von Nanoröhrchen gezielt eine Sorte herausfischen.
Nanoschalter
Da die halbleitenden Nanoröhrchen auch ausgerichtet werden müssen, verwendeten die Wissenschaftler ein spezielles Beschichtungsverfahren. Bao und ihre Kollegen ließen den mit Amingruppen modifizierten Träger auf einem Drehteller rotieren und tropften die Lösung mit den Nanoröhrchen in der Mitte auf. Durch die rasche Drehbewegung breitete sich die Lösung auf der Waferoberfläche aus, wobei die halbleitenden Zylinder an den Amingruppen haften blieben, während der Rest heruntergeschleudert wurde. Je schneller der Teller rotierte, desto gleichmäßiger waren die zylindrischen Gebilde orientiert.
Die Forscher verbanden anschließend die Nanoröhrchen mit zwei Elektroden, deren Abstand einige Mikrometer betrug. Als sie daran eine Spannung legten, floss ein Strom durch die Nanoröhrchen. Dieser ließ sich mit einer Spannung steuern, die man an die Siliziumunterlage anschloss. Auf diese Weise arbeiteten die halbleitenden Zylinder wie winzige Schalter (“Science“, Bd. 321, S. 101).
Kohlenstoff auf Aufholjagd
Das Verfahren bietet erstmals die Möglichkeit, Nanoröhrchen in einem Arbeitsschritt zu sortieren und auszurichten, was bislang nur mit größerem Aufwand und nacheinander ausgeführt werden konnte. In weiteren Versuchen wollen die Forscher nun die Röhrchen zwischen den Elektroden dichter packen. Damit sollen höhere Stromstärken als bisher möglich sein. Derzeit belaufen sie sich auf wenige Mikroampère. Wenngleich eine Computerarchitektur auf Kohlenstoffbasis noch in weiter Ferne zu liegen scheint, erwächst der herkömmlichen Silizium-Technik mit den Nanoröhrchen allmählich Konkurrenz.
Text: F.A.Z.
Bildmaterial: Leibniz-Institut f. Festkörper- und Werkstattforschung, Dresden
