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Montag, 27.06.2016
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Neue Nanodrähte aus "Schmierstoff"

Molybdänsulfid als Alternative zu Nano-Kohlenstoffdrähten

Nanoröhren aus Kohlenstoff gelten wegen ihrer herausragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften als Top-Kandidaten für mikroelektronische Bauelemente der Zukunft. Doch in der praktischen Anwendung besitzen sie auch reichlich Nachteile. Jetzt haben Wissenschaftler eine mögliche Alternative entdeckt: Nanodrähte aus Molybdänsulfid.
Durch Verdrillen eines Einzeldrahtes verliert der Draht seine elektrische Leitfähigkeit

Durch Verdrillen eines Einzeldrahtes verliert der Draht seine elektrische Leitfähigkeit

Seit der Entdeckung der Kohlenstoff-Nanoröhren im Jahr 1991 arbeiten Wissenschaftler intensiv daran, die Nanoröhren für unterschiedlichste Technologien zu erschließen: man erhofft sich Nanoröhren-Transistoren oder Nanoröhren-Speicher aus Kohlenstoff. Die nur wenige millionstel Millimeter
kleinen Röhrchen könnten aber auch in der Medizin oder in neuen Bildschirmgenerationen zum Einsatz kommen.

Nano-Kohlenstoffdrähte mit Hindernissen


Doch leider gibt es da einige hinderliche Eigenschaften bei der Integration zu überwinden. So gelingt die elektronisch oder sogar strukturell sortenreine Herstellung der Nanoröhren nur mit
aufwendigen Hilfsmitteln, die Röhrchen sind schwach löslich und verkleben zu Bündeln. Auch lassen sie sich nur schlecht elektrisch kontaktieren, was ihren Einsatz in der Mikroelektronik erschwert. Prototypen für unterschiedliche Anwendungen konnten zwar in Labors weltweit schon gefertigt werden, doch spielen Kohlenstoff-Nanoröhren heute für den Markt noch kaum eine Rolle.

Wissenschaftler der TU Dresden um Professor Gotthard Seifert und des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD) um Sibylle Gemming interessieren sich seit Jahren für Molybdänsulfid (MoS), das als Schmierstoff oder als Beimengung in Katalysatoren vielfach industriell genutzt wird. Für die Substanz gilt, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften deutlich stärker mit der Partikelgröße und -form variieren als bei anderen Materialien.


Wird zum Halbleiter durch Verdrehen


In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Flemming Besenbacher von der Universität Aarhus in Dänemark gelang nun die Herstellung und vollständige experimentelle wie theoretische Charakterisierung von MoS-Drähten. Es zeigte sich, dass diese mit überragenden Vorteilen aufwarten können: Als metallische Drähte sind sie sehr stabil, sie verkleben nicht so leicht wie ihre Verwandten aus Kohlenstoff, sie haben sehr gute elektronische Transport-Eigenschaften und sie lassen sich relativ einfach zu einem Halbleiter umwandeln, indem man sie verdreht.

Gut mit Elektroden verknüpfbar


Jedes halbleitende Material besitzt eine typische Bandlücke, die für die konkreten elektronischen und optischen Eigenschaften verantwortlich ist. Bei MoS-Drähten ist interessant, dass diese Bandlücke linear mit dem Verdrillungswinkel mitwächst, was einen möglichen Einsatz als Nano- Schalter nahelegt. Erstaunlich ist zudem die einfache Kontaktierung der MoS-Drähte mit Gold-Elektroden, wobei der Kontakt besonders stark ist: einige wenige Schwefelatome verankern den Draht am Gold, während der Stromfluss direkt durch den zentralen Gold-Molybdän-Kanal erfolgt.

Überraschend gut geeignet


Mit derart überzeugenden Eigenschaften der Molybdänsulfid-Drähte hatten nicht einmal die Wissenschaftler gerechnet. "Die Berechnungen zeigen, dass viele der Nachteile, die mit den Kohlenstoff-Nanoröhren einhergehen, für Molybdänsulfid-Drähte nicht zu erwarten sind. Hinzu kommt, dass sie mit allen Vorteilen von Kohlenstoff-Nanoröhren ausgestattet sind. Die neuen Nanodrähte haben deshalb ein echtes Potential für zukünftige elektronische Bauelemente", so Gemming.

Seifert fügt hinzu: "Die Nanodrähte aus 'Schmierstoff' haben uns auf sehr angenehme Weise überrascht. Als nächstes wollen wir daraus nanoelektronische Schaltkreise bauen." Neben reinen Molybdänsulfid-Drähten untersuchten die Forscher auch Drähte, deren Eigenschaften durch Zugabe weiterer Elemente modifiziert wurden. Auch diese Verbindungen zeigten sich in den Berechnungen wie im Experiment als vielversprechend.
(Forschungszentrum Dresden - Rossendorf, 10.03.2009 - NPO)