Einen interdisziplinären Forscherteam ist es erstmals gelungen, dünne Schichten mit veränderbaren nanometergroßen Poren herzustellen. Diese Poren können verschiedene Fremdmoleküle aufnehmen und die Schicht so gezielt steuerbare elektronische Eigenschaften erhalten. Diese jetzt in „Science“ veröffentlichte Entdeckung könnte für zukünftige Anwendungen in der Sensorik und der Computertechnologie von großer Bedeutung sein, da sie gute Voraussetzung für ein Metameterial bietet.
Gewöhnlich ist der elektrische Widerstand eines Materials ebenso wie sein spezifisches Gewicht und seine Farbe eine nicht steuerbare Materialeigenschaft. Forschenden der Universitäten Basel und Heidelberg sowie des Paul Scherrer Instituts ist es nun gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem zukünftig die elektronischen Eigenschaften an einer Oberfläche gezielt verändert werden können, darunter auch der Widerstand.
„Elektronenseen“ in Quantentöpfen
Das interdisziplinäre Team aus Physikern und Chemikern um die Physikerin Meike Stöhr von der Universität Basel hat eine Substanz entwickelt, die durch Erhitzen auf einer Kupferoberfläche ein stabiles zweidimensionales Netzwerk mit Nanometer-kleinen Poren bildet. Durch die Wechselwirkung dieses Netzwerks mit dem an der Metalloberfläche vorhandenen Elektronengas kommt es zu zwei Effekten: Unterhalb des Netzwerks werden die Elektronen verdrängt, während sich in den Poren kleine „Elektronenseen“ in so genannten Quantentöpfen bilden.
Die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge können durch den Vergleich des Elektronengases mit Wasserwellen an folgendem Beispiel nachvollzogen werden: An einem auf der Oberfläche schwimmenden Hindernis werden Wasserwellen reflektiert. Für ein Hindernis in Form eines Bienenwaben-förmigen Netzes können sich in den einzelnen Waben stehende Wasserwellen ausbilden. So entsteht je nach Struktur und Grösse des Netzes ein charakteristisches Wellenmuster. Analog hierzu entstehen im oben beschriebenen neuen Material charakteristische Elektronenwellen aufgrund der Wechselwirkung des molekularen Netzwerks mit den Elektronen der Metalloberfläche.
Veränderbare Poren als Behälter für Fremdmoleküle
Durch Veränderung sowohl des Porenabstands als auch des Porendurchmessers besteht die Möglichkeit, die Eigenschaften des Materials gezielt zu verändern. Eine weitere Möglichkeit zur Veränderung bietet sich durch das Befüllen der Poren mit Gast- Molekülen an. Dadurch würde ein direkter Zugriff auf die Eigenschaften ermöglicht, welche von den Elektronen bestimmt werden, wie zum Beispiel die Leitfähigkeit, die Reflektivität oder die katalytischen Eigenschaften der Oberfläche. Auf diese Weise können Materialien mit neuen steuerbaren Eigenschaften entstehen.
Poren-Netzwerke gelten als vielversprechende Kandidaten für neue Metamaterialien. Dies sind Stoffe, die aufgrund ihrer speziellen periodischen Struktur optische oder elektronische Eigenschaften haben, die durch die Steuerung der Eigenschaften der einzelnen Komponenten gezielt verändert werden können. Im vorliegenden Fall sind es die elektronischen Eigenschaften der Oberfläche, welche durch die Größe und die Eigenschaften der selbstorganisierten Nano-Poren bestimmt werden.
(Universität Basel, 17.07.2009 – NPO)
