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Dotierte Nanoröhrchen : Elektronen auf der Überholspur

  • -Aktualisiert am

Ein Nanodraht aus Silizium Bild: Charles Lieber

Auch Nanoröhrchen aus Kohlenstoff lassen sich dotieren. Die eingeschleusten Fremdatome bringen die freien Ladungsträger auf Touren. Das ist im Hinblick auf eine auf Nanoröhrchen basierte Elektronik von Bedeutung, wo man nicht ohne dotierte Materialien auskommt.

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          Silizium, das wichtigste Element der Halbleitertechnik, wird erst leitfähig, wenn man es entsprechend dotiert. Dabei werden gezielt Fremdatome in das Material einschleust und damit positive oder negative Ladungsträger erzeugt, die sich frei in dem Kristallgitter bewegen können. Auch die Leitfähigkeit von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, die als Werkstoffe für eine künftige Nanoelektronik gehandelt werden, lässt sich auf diese Weise verändern. Was eine solche Behandlung in diesen Materialien bewirkt, hat eine Forschergruppe aus Brasilien, den Vereinigten Staaten und Deutschland detailliert untersucht. Die Wissenschaftler sind dabei auf einen quantenmechanischen Effekt gestoßen, den britische Forscher bereits vor drei Jahren in dünnen Graphitschichten, sogenanntem Graphen, beobachtet hatten. Danach verhalten sich die Elektronen in den dotierten Nanoröhrchen so, als handle es sich um Lichtteilchen.

          Zur Herstellung der Nanoröhrchen haben die Forscher - darunter Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität in München - Kohlenstoff aus der Gasphase auf eine mit Katalysator-Partikeln bedeckte Oberfläche abgeschieden. Durch Zugabe von geringen Mengen an Stickstoff beziehungsweise Bor ist es gelungen, in den wachsenden, rund einen Nanometer dicken Röhrchen einen Überschuss an Elektronen beziehungsweise positiv geladenen Löchern zu erzeugen. Ein Teil der einwandigen Zylinder wies halbleitende, der andere metallische Eigenschaften auf. Die Atome der zugegebenen Elemente saßen auf den Plätzen von Kohlenstoffatomen. Bei den mit Stickstoff dotierten Nanoröhrchen war jedes dreitausendste Kohlenstoffatom durch Stickstoff ersetzt worden; bei den mit Bor dotierten Röhrchen sogar jedes dreihundertste.

          Fremdatome beeinflussen Leitfähigkeit

          Die Forscher untersuchten anschließend die elektronischen Eigenschaften der Röhrchen mit einem optischen Nahfeldmikroskop, dessen Auflösung so gut war, dass man die Positionen der Fremdatome lokalisieren konnte. Sie bestrahlten die Oberfläche eines Röhrchens mit dem gebündelten roten Licht eines Helium-Neon-Lasers, in dessen Brennpunkt sie die Spitze des Mikroskops plazierten. Diese verstärkte sowohl die Photolumineszenz der vom Laserlicht angeregten Elektronen als auch deren Streuung an den schwingenden Kohlenstoffatomen. Beides lieferte Informationen über die elektronische Bandstruktur und damit über die elektrischen und optischen Eigenschaften der dotierten Röhrchen. So war die Photolumineszenz nur bei Röhrchen mit halbleitenden Eigenschaften zu beobachten, nicht aber bei den metallischen Varianten.

          Die eingeschleusten Fremdatome beeinflussten die Leitfähigkeit und die Gitterschwingungen der Röhrchen. Wo Stickstoff- oder Boratome die wabenförmige Anordnung der Kohlenstoffatome unterbrachen, wurde das Gitter steif, was unmittelbare Folgen für die Beweglichkeit der Ladungsträger hatte. So waren die Leitungselektronen in der Nähe von Boratomen offenkundig langsamer, in der Nähe der Stickstoffatome aber deutlich schneller, als es normalerweise in undotierten Exemplaren der Fall ist („Nature Materials", Bd. 7, S. 878). Letzteres hat man auch in Graphen beobachtet. Wissenschaftler von der University of Manchester haben Elektronen-Geschwindigkeiten in den Graphitschichten gemessen, die ein Vierhundertstel der Lichtgeschwindigkeit betrugen.

          Die Bedeutung dotierter Materialien

          Erklären lässt sich das Phänomen mit der relativistischen Quantentheorie, die 1928 von dem britischen Physiker Paul Dirac entwickelt wurde. Danach verhalten sich frei bewegliche Elektronen in Graphen wie Photonen, die bekanntlich mit Lichtgeschwindigkeit fliegen. Da die Elektronen anders als die Lichtteilchen eine Masse haben, bewegen sie sich nicht ganz so schnell. In Nanoröhrchen mit einem Überschuss an Elektronen tritt dieser Effekt offenkundig ebenfalls auf.

          Dank der gewonnenen Erkenntnisse dürfte es den Forschern künftig leichter fallen, die elektrischen Eigenschaften der Zylinder durch Dotierung gezielt zu verändern. Das ist im Hinblick auf eine auf Nanoröhrchen basierte Elektronik von Bedeutung, wo man nicht ohne dotierte Materialien auskommt. Die wichtigste Aufgabe sieht Achim Hartschuh, Leiter der Münchner Forschergruppe, darin, die Kohlenstoffzylinder in zwei- oder dreidimensionalen Netzwerken anzuordnen und zu elektrischen Schaltkreisen zu verknüpfen.

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