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Donnerstag, 08.12.2016
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Flächige Nanokristalle bilden sich selbst

Organische Moleküle ermöglichen Selbstorganisation zweidimensionaler Nanostrukturen

Einem internationalen Forscherteam ist erstmals die Herstellung von Nanokristallen gelungen, die sich durch Selbstorganisation so zusammenfügen, dass flächige kristalline Nanostrukturen mit hoher Leitfähigkeit entstehen. Wie die Wissenschaftler in „Science" berichten, erweitern solche Strukturen die Einsatzmöglichkeiten von Nanokristallen beispielsweise in flexiblen elektronischen Schaltungen, Solarzellen oder Photosensoren.
Schema einzener Nanokristalle, die durch Selbstorganisation in zweidimensionale Strukturen verschmelzen

Schema einzener Nanokristalle, die durch Selbstorganisation in zweidimensionale Strukturen verschmelzen

Nanokristalle sind winzige Teilchen, nicht mehr als 100 Nanometer groß. Wegen ihrer kristallinen Struktur und ihres besonderen Eigenschaftsprofils sind sie hochinteressant für die Entwicklung neuer Materialien und innovativer Technologien. Schon seit geraumer Zeit werden auf der Basis von Nanokristallen elektrische Bauelemente produziert. Aber diese Bauteile sind nur schlecht leitfähig, weil die Lücken zwischen den Nanopartikeln einen freien Fluss der Elektronen behindern. Zwar haben einige Forscher versucht, die Übergänge zwischen benachbarten Partikeln mit chemischen Methoden zu erleichtern, doch eine zufriedenstellende Leitfähigkeit wurde nicht erreicht.

Flächige Nanoleiter gesucht


Im Gegensatz dazu würden flächige Nanostrukturen, die sich auf dem Weg der Selbstorganisation bilden, einen erheblich verbesserten Durchfluss der Elektronen ermöglichen. In der Forschung werden solche flächigen Nanostrukturen als "zweidimensional" klassifiziert. Denn ihre Länge und ihre Breite beträgt jeweils rund ein Mikrometer und ist damit um ein Vielfaches größer im Vergleich zu ihrer äußerst geringen Höhe von rund zwei Nanometern. Doch bisher war die Produktion solcher flächiger Nanoleiter sehr aufwändig und nicht durch Selbstorganisation zu erreichen.

Einer internationalen Forschergruppe unter Federführung von Professor Christian Klinke und Professor Horst Weller von der Universität Hamburg, der auch Professor Stephan Förster, jetzt an der Universität Bayreuth sowie Beatriz H. Juarez vom Forschungszentrum IMDEA Nanoscience in Madrid angehören, ist nun erstmals die Bildung von selbstorganisierenden Nanokristallen in der gewünschten flächigen Form gelungen. Die Kristalle bestehen aus Bleisulfid, einer Verbindung aus Blei und Schwefel.


Organische Moleküle als „Ordnungshüter“


Wie aber gelang es, die Partikel dazu zu bringen, dass sie sich zu Flächenstrukturen statt regelloser Kristallhaufen zusammenfinden? Die treibende Kraft geht bei diesem Prozess von organischen Molekülen aus. Diese Moleküle – es handelt sich um Ölsäure – befinden sich auf der Oberfläche der Nanokristalle. Hier üben sie auf deren innere Struktur eine stabilisierende Wirkung aus.

Elektronenmikroskopische Aufnahme von flächigen Nanostrukturen

Elektronenmikroskopische Aufnahme von flächigen Nanostrukturen

Der Prozess der Selbstorganisation wird nun dadurch in Gang gesetzt, dass die organischen Moleküle beginnen, untereinander zu kristallisieren. Dadurch veranlassen sie die Nanokristalle, sich ihrerseits in eine kristalline, zusammenhängende Struktur zu fügen. Nicht in beliebigen Formen, sondern in wohlgeordneten Flächen lagern sich die Nanokristalle aneinander.

„Das technologische Potenzial dieser neuartigen Nanostrukturen zeigt, wie fließend der Übergang aus der Grundlagen- in die Anwendungsforschung geworden ist", erklärt Förster. "Unsere Entdeckung ermutigt uns, noch tiefer in die Mechanismen und Prozesse der Selbstorganisation von Materie einzudringen. Wir haben es offensichtlich mit einer zukunftsweisenden Forschungsrichtung zu tun, von der entscheidende Impulse für neue Technologien zu erwarten sind."
(Universität Bayreuth, 03.08.2010 - NPO)
 
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