Winzige Röhrchen und dünnste Streifen aus Kohlenstoff sind vielversprechende Kandidaten für neuartige, elektronische Bauteile. Forscher der Empa haben zusammen mit deutschen Kolleginnen und Kollegen Verfahren entwickelt, mit denen sie bestimmte Kohlenstoffstrukturen gezielt herstellen können – ein Schritt auf dem Weg von der Mikro- zur Nanoelektronik.

Gemeinsam mit seinem Team stellt Prof. Roman Fasel an der Empa neuartige Kohlenstoffnanomaterialien mit besonderen elektronischen Eigenschaften her.

Fingerlinge aus bunten Sechsecken, die alle nach oben zeigen, zieren das Titelblatt der renommierten britischen Fachzeitschrift «Nature» vom 7. August 2014 – perfekte Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, die einen lang ersehnten Forschungserfolg symbolisieren. Physiker an der Empa konnten in Zusammenarbeit mit deutschen Chemikerinnen und Chemikern erstmals Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer einzigen bestimmten Struktur züchten – ein Unterfangen, das Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den vergangenen 25 Jahren weltweit vergeblich anstrebten. Man konnte die sogenannten Nanotubes zwar kiloweise herstellen, erhielt so aber immer eine Mischung von bis zu 50 verschiedenen Arten von Röhrchen mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Die winzigen Schläuche bestehen aus einem wabenförmigen Gitter aus Kohlenstoffatomen. Das Material ist extrem stabil, ultraleicht und biegsam. Einwandige Röhrchen haben einen Durchmesser im Bereich eines Millionstelmillimeters (Nanometer) und verhalten sich nach den Gesetzen der Quantenmechanik. «Je nachdem, wie ein solches Röhrchen gerollt ist, leitet es den Strom wie ein Metall oder wie ein Halbleiter», erklärt Prof. Roman Fasel, Leiter der Empa-Abteilung «nanotech@surfaces» und Titularprofessor an der Universität Bern. «Wenn man sich nur für die mechanischen Eigenschaften der Nanotubes interessiert, ist das egal. Will man aber eine elektronische Schaltung konstruieren, spielt das eine entscheidende Rolle.» Dafür ist nur halbleitendes Material geeignet, metallisches würde einen Kurzschluss verursachen.

Origami mit Molekülen

Zwar lassen sich die verschiedenen Röhrchensorten aus der konventionell hergestellten Mischung aussortieren, doch hundertprozentig funktioniert keines der aufwendigen und verlustreichen Verfahren. Kein Wunder feierte «Nature» die neue Methode als «herausragenden Durchbruch in der Synthese von einwandigen Kohlenstoffnanotubes». Ausgangsstoff für das Verfahren ist ein flaches Molekül, das Chemikerinnen und Chemiker am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart herstellten: ein Kohlewasserstoff aus 150 Atomen. Aus diesem zweidimensionalen Objekt formte Roman Fasels Team ein dreidimensionales, kuppelartiges Gebilde. «Das ist wie Origami», erklärt der Physiker und greift zu einem Stück Papier. «Wir haben das Molekül wie ein Blatt an den Rändern zusammengeklebt und so zu einer Kappe gefaltet.»

Damit dieser Trick funktionierte, mussten die Forschenden das Molekül im Vakuum auf einer Platinoberfläche platzieren und erhitzen. Dadurch spaltete der Kohlenwasserstoff am Rand Wasserstoffatome ab. «So entstand unser Leim – ‹unglückliche› Kohlenstoffatome, die einen Bindungspartner suchen und sich mit anderen Kohlenstoffatomen am Rand verbinden», erklärt Roman Fasel. «Dadurch entstehen Endkappen, die alle genau gleich sind.» In einem zweiten Prozess wachsen diese Keime zu Röhrchen. Dazu braucht es ein Gas, das durch eine katalytische Zersetzung auf der Platinoberfläche weitere Kohlenstoffpaare liefert. Diese lagern sich am offenen Rand zwischen Kappe und Metall an und lassen die Struktur wie Fingerlinge in die Höhe wachsen. Weil die Keime identisch sind, entsteht daraus nur eine einzige Sorte massgeschneiderte Röhrchen – wie gewünscht.

Mit einem Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop untersuchen sie die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der erzeugten Nanostrukturen.

Die meisten Nanotubes wachsen senkrecht wie die Borsten auf einer Bürste und sind vermutlich fünf bis zehn Nanometer lang. Doch einige bis zu 300 Nanometer lange Röhrchen liegen quer darüber. Wie sich das Längenwachstum steuern lässt, wissen die Forschenden noch nicht. «Wir haben gezeigt, dass diese Methode im Prinzip funktioniert», sagt der Empa-Forscher. Doch obwohl mehr als 100 Millionen Nanoröhrchen pro Quadratzentimeter auf der Platinoberfläche wachsen, ist der Prozess noch ineffizient. «Von einer Massenproduktion sind wir noch weit entfernt», sagt der Fachmann.

Schmale Graphenbänder nach Mass

Einwandige Kohlenstoffnanotubes sind aber nicht die einzigen Kandidaten für neuartige elektronische Anwendungen. Roman Fasel und sein Team befassen sich auch mit einem anderen «Wundermaterial»: Graphen. Schneidet man ein einwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen der Länge nach auf und glättet es, erhält man Graphen. Auch dieses Material besteht also aus einer wabenförmigen Schicht aus Kohlenstoff, die nur ein Atom dick ist. Graphen ist härter als Diamant, extrem reissfest und ein ausgezeichneter Leiter. Für elektronische Anwendungen hat das Material allerdings den Nachteil, dass es weder ein Metall noch ein Halbleiter ist, sondern etwas dazwischen: ein Halbmetall ohne sogenannte elektronische Bandlücken. Darunter verstehen die Physikerinnen und Physiker einen Energiebereich, in dem sich keine Elektronen befinden können.

Im Gegensatz zu Metallen haben Halbleiter, beispielsweise Silizium oder Galliumarsenid, eine Bandlücke. Diese braucht es, wenn man ein elektronisches Bauelement ein- und ausschalten, also zum Beispiel einen Transistor bauen will. Bei Graphen entsteht über einen quantenmechanischen Effekt eine Bandlücke, wenn das Material in dünnen Streifen vorliegt. «Das hat man schon lange theoretisch vorausgesagt», erklärt Roman Fasel, «doch die Schwierigkeit liegt darin, dass die Streifen wirklich schmal sein müssen, nur wenige Nanometer breit, und die Ränder dürfen keine Unregelmässigkeiten haben.» Eine Graphenlage einfach in schmale Streifen schneiden, kann man deshalb nicht. 2010 gelang es den Empa-Forschenden jedoch, in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz schmale Graphenbänder herzustellen, indem sie diese gezielt aus Kohlenwasserstoff-Molekülen aufbauten – ähnlich wie die Kohlenstoffnanotubes.

Je schmaler die Streifen sind, desto grösser ist die Bandlücke. «Deshalb ging es in den letzten Jahren darum, einerseits den Herstellungsprozess zu verfeinern und andererseits die Eigenschaften der Graphennanostreifen zu verbessern», sagt Roman Fasel. Dabei gelang den Forschenden 2014 ein wesentlicher Fortschritt. Sie konnten komplexere Strukturen herstellen, bei denen die Bänder verschiedene Segmente enthalten. Das Ausgangsmaterial dafür – Moleküle, die an bestimmten Positionen mit Stickstoffatomen ausgestattet sind – stellten wiederum die Chemikerinnen und Chemiker in Mainz her und schickten es nach Dübendorf. Wechseln sich auf den Graphenbändern mit Stickstoff dotierte Segmente mit undotierten ab, entstehen sogenannte Heteroübergänge. Die Forschenden konnten zeigen, dass sich diese sehr ähnlich verhalten wie die Materialübergänge in Halbleiterkristallen zwischen Bereichen unterschiedlicher Dotierung. «Solche Halbleiterübergänge, in denen die Dotierung von positiv zu negativ wechselt, stecken in jedem Handy oder anderen modernen elektronischen Geräten», sagt Roman Fasel.

Empfindliche Sensoren, effiziente Solarzellen

Will man künftig aus Graphennanostreifen elektronische Bauteile herstellen, kann man die wichtigen Parameter dafür über die Stickstoffdotierung und die Bandbreite optimal wählen. «Wir haben nun also zwei Knöpfe, an denen wir drehen können», fasst der Physiker zusammen. Doch noch liegen Anwendungen der Nanoelektronik in weiter Ferne. Trotzdem arbeitet die schweizerisch-deutsche Forschungskooperation mit dem Chemiekonzern BASF zusammen. So sicherte sich der Industriepartner bereits jetzt sechs Patente, die sich in Zukunft auszahlen könnten.

Weil die Graphennanostreifen sehr empfindlich auf ihre Umgebung reagieren, kann man daraus später vielleicht einmal nicht nur Transistoren, sondern auch Sensoren fertigen. Und die schmalen Bänder könnten sich zudem für den Einsatz in Solarzellen eignen. Denn sie absorbieren sichtbares Licht so gut, dass es nur wenige Schichten braucht, um alles Licht zu schlucken. «Das kennen wir aus unserer täglichen Erfahrung», sagt Roman Fasel. «Graphit ist schwarz, und Graphit ist nichts anderes als übereinander gestapelte Graphen-Schichten.» Indem man die Breite der Bänder atomar präzise einstellt, kann man sogar die Lichtabsorption für bestimmte Wellenlängen gezielt und massiv erhöhen. Ob diese Technologie in den nächsten zehn Jahren tatsächlich den Markt erobert, weiss heute allerdings niemand. Auch der Experte will nicht spekulieren: «Im Moment stecken wir noch in der Grundlagenforschung, und es bleibt auf jeden Fall noch sehr viel zu tun», sagt Roman Fasel.