Winziges Multitalent – Im Vakuum erzeugte Nanodrähte mit riesigem Potenzial

Winziges Multitalent – Im Vakuum erzeugte Nanodrähte mit riesigem Potenzial

Effektivere Solarzellen, schnellere Rechner, genauere medizinische Diagnostik – zu all dem könnten Halbleiter-Nanodrähte viel beitragen. Materialforscher züchten sie im sehr hohen Vakuum.
Nano-wire-semiconductor-3.jpg

Aus Eisen, Kupfer oder Stahl gezogener Draht ist ein praktischer Werkstoff, den die Menschheit schon seit der mittleren Bronzezeit nutzt. Nanodraht ähnelt ihm nur in der Form und im Namen. Er kann neben Metall auch aus Halbmetall oder purem Kohlenstoff bestehen, wird bei der Herstellung nicht aus massivem Grundmaterial gezogen, sondern gezüchtet. Der entscheidende Unterschied ist jedoch die Größe: höchstens einige Mikrometer lang, mit einem Durchmesser zwischen 5 und 100 Nanometer. Ein menschliches Haar ist etwa 50 000 Nanometer dick und wäre im Vergleich ein mächtiges Schiffstau.

Hochleistungsfähige und vielseitige Bausteine

Die länglichen Strukturen wurden Anfang der 1990er-Jahre entdeckt. Grundlagen- und Materialforscher erkannten bald das Potenzial dieser länglichen Objekte. Die winzigen Schnipsel gelten zum Beispiel als heiße Kandidaten, um die Miniaturisierung in der Elektronik weiter voranzutreiben und diese von der Mikro- auf die Nano-Ebene zu bringen.

In den winzigen Dimensionen der Nanowelt herrschen ganz eigene physikalische Gesetze. Da sich Elektronen im Nanodraht schneller bewegen als in herkömmlichem Material, lässt sich der Strom in ihm besser kontrollieren – ein wichtiger Aspekt für den Bau neuartiger Mikro- oder besser Nanochips. Mit Nanodrähten kann man künftig wahrscheinlich besonders leistungsfähige Rechner oder hochpräzise Sensoren für die medizinische Diagnostik konstruieren.

Ein weiteres vielversprechendes Einsatzgebiet ist die Photovoltaik. Klassische Solarzellen können rund 60 Prozent des Sonnenlichts absorbieren. Mit dicht an dicht gepackten Nanodrähten lassen sich 90 Prozent erzielen. Die Mini-Strukturen können auch Licht bündeln und emittieren; in Chips eingebaut könnten sie für kleine Halbleiter-Laser genutzt werden.

Vakuum sorgt für reines Wachstum

Damit sie ihre einzigartigen Eigenschaften entfalten können, müssen die Nanodrähte aus extrem reinem Material bestehen, frei von jeglicher Verunreinigung. Ihre Herstellung findet deshalb unter sehr hohem Vakuum statt. Auch Busch engagiert sich in diesem Gebiet.

Zunächst werden Silizium-Trägerplatten mit verschiedenen Atomen oder kleinen Molekülen beschossen. Die Halbleiter-Kristalle wachsen anschließend selbstorganisiert in die Höhe und lassen die gewünschte Drahtform entstehen. Mit dem Verfahren lassen sich sogar mehrschichtige Halbleiter-Nanodrähte für bestimmte Aufgaben maßschneidern. Die einzelnen Schichten können unterschiedliche Aufgaben übernehmen und die technischen Möglichkeiten zusätzlich erweitern. Die Forschung läuft auf Hochtouren.

Die klassischen physikalischen Gesetzmäßigkeiten sind keineswegs so universell, wie man lange annahm. Als Forscher in die winzigen Welten auf der Nanoskala vordrangen, stellten sie überrascht fest: Bei 50 Nanometern ist eine Grenze erreicht. Darunter gehorchen Stoffe quantenphysikalischen Gesetzen.

Weil Nanoteilchen so winzig sind, ist ihre Oberfläche im Verhältnis zum Volumen sehr groß. Diese relativ riesige Oberfläche macht die Nanoteilchen chemisch reaktionsfreudiger. Massenkräfte verlieren an Einfluss, während Oberflächenkräfte wie die Van-der-Waals-Kräfte zunehmen. Oberflächenladungen und thermodynamische Effekte wie die brownsche Molekularbewegung spielen ebenfalls eine Rolle – je kleiner das Teilchen, umso stärker der Effekt.

So können Nanoteilchen ganz andere optische, magnetische oder elektrische Eigenschaften haben als größere Partikel oder Festkörper. Gold zum Beispiel leuchtet in der Nanowelt rot bis purpurrot. Nanowassertropfen bleiben über Stunden stabil und können sogar in der Luft schweben, ohne zu verdunsten. Nanoröhren aus Kohlenstoff sind extrem reißfest und elastisch, leiten Wärme und je nach Struktur auch Strom mit minimalem Verlust.


„World of Vacuum" auch als Newsletter!
Jetzt abonnieren und immer Neues und Spannendes aus der Welt des Vakuums erfahren.

ANMELDEN

* Ich möchte den vierteljährlich erscheinenden „World of Vacuum"-Newsletter von Busch per Email erhalten. Diese Einwilligung kann jederzeit am Ende des E-Mail-Newsletters widerrufen werden.