Drucksensor aus Nanoröhren

Drucksensor aus Nanoröhren

Einfaches Bauteil nutzt die Feldemission von Kohlenstoffnanoröhren

Sie sind lang und extrem dünn, mechanisch äußerst stabil und sie leiten den elektrischen Strom: Mit ihren Eigenschaften sind die Kohlenstoffnanoröhren nahezu ideale Feldemitter, denen man schon mit mäßigen Feldstärken merkliche Elektronenströme entlocken kann. Aus Nanoröhren hat man kompakte Elektronenkanonen hergestellt, mit denen sich Röntgenstrahlung erzeugen lässt. Aber auch extrem flache Bildschirme mit Kathoden aus Nanoröhren nutzen die Feldemission der röhrenförmigen Kohlenstoffmoleküle. Jetzt haben Forscher der Jiao Tong University in Shanghai ein weiteres Anwendungsfeld für die Nanoröhren gefunden: die präzise Druckmessung.

Die Idee, die dem Druckmesser von Kaiyou Qian und Mitarbeitern zugrunde liegt, ist verblüffend einfach. Der Strom, der durch Feldemission von einer Kathode aus Kohlenstoffnanoröhren ausgeht, hängt sehr empfindlich von der Feldstärke ab, die am freien Ende der Nanoröhren auftritt. Diese Feldstärke kann man dadurch erhöhen, dass man bei konstant gehaltener elektrischer Spannung zwischen Kathode und Anode deren Abstand verringert. Nimmt man als Anode eine Membran, die vom aufliegenden Druck mehr oder weniger stark eingedellt wird, so kann man die Stärke des Drucks direkt als elektrisches Signal ablesen.

Nach demselben Prinzip funktionieren Feldemissions-Druckmesser, bei denen die Kathode aus zahllosen mikroskopisch kleinen Siliziumspitzen besteht. Doch mit ihren überragenden Eigenschaften können die Kohlenstoffnanoröhren an die Stelle der Siliziumspitzen treten. Außerdem lassen sich Drucksensoren mit Kohlenstoffnanoröhren vergleichsweise leicht herstellen, wie die chinesischen Forscher jetzt gezeigt haben. Zunächst fertigten sie die Kathode, indem sie eine Siliziumunterlage photolithographisch strukturiert und mit einem Katalysator versehen haben, auf dem in einem vorgegebenen Muster mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren durch Gasphasenabscheidung wachsen konnten.

Wenn die ganze Kathodenoberfläche mit Nanoröhren dicht bedeckt war, dann schirmten sich die Röhrchen gegenseitig teilweise ab, so dass die bei Feldemission gemessene Stromdichte vergleichsweise gering war. Ließen die Forscher die Nanoröhren hingegen in etwa 15 µm großen Inseln wachsen, die in einem quadratischen Gitter angeordnet waren und einen Abstand von 60 µm hatten, dann konnten sie merklich höhere Stromdichten erreichen. Mit dieser Anordnung von Nanoröhreninseln haben die Forscher ihre Kathode ausgestattet.

Die Anode wurde aus einem 1 mm dicken einkristallinen Siliziumscheibchen hergestellt, von dem durch nass-chemisches Ätzen, von der Ober- und der Unterseite her, in der Mitte soviel Material entfernt wurde, dass eine 6 x 6 mm ² große und 0,1 mm dicke Membran stehen blieb. Die Kathode wurde auf einem Glasplättchen befestigt und die ausgehöhlte Anode wurde darüber gestülpt, so dass ein Hohlraum entstand, der anschließend evakuiert wurde. Diese Bauweise schloss die Gefahr eines Kurzschlusses durch direkten Kontakt von Anode und Kathode weitgehend aus. Nachdem Anode und Kathode mit elektrischen Leitungen versehen worden waren, war der Druckmesser fertig.

Die Forscher unterzogen ihren Druckmesser zahlreichen Tests, indem sie die Membran in der Anode unterschiedlichen Gasdrücken aussetzten und dabei die Stärke des Feldemissionsstroms maßen. Über einen Druckbereich von 0 bis 550 kPa wuchs der Strom von etwa 100 µA auf 1700 µA an, und zwar umso schneller, je höher der Druck war. Die Empfindlichkeit der Druckmessers nahm daher mit der Stärke des Drucks zu und stieg von 0,35 nA/Pa auf 6,1 nA/Pa an. Durch Optimierung der Größe und Anordnung der Nanoröhreninseln lässt sich die Empfindlichkeit des Sensors sicher noch weiter erhöhen. Außerdem könnte man die Nanoröhren senkrecht ausgerichtet wachsen lassen, statt sie ungeordnet wuchern zu lassen, wie das die chinesischen Forscher getan haben. Auch dadurch ließen sich der Emissionsstrom und die Empfindlichkeit des Sensors erhöhen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  Kaiyou Qian et al.: Studies on vacuum microelectronic pressure sensors based on
  carbon nanotubes arrays. Physica E 31, 1 (2006)
  http://dx.doi.org/10.1016/j.physe.2005.07.016
  
• Nanotube Primer:
  http://ipn2.epfl.ch/CHBU/NTprimer.htm
  
• R. Scharf: Mit Nanoröhren Röntgenstrahlen erzeugt. pro-physik (3.7.2002)
  
  
  

Weitere Literatur:

• Yahachi Saito and Sashiro Uemura: Field emission from carbon nanotubes and its application to electron sources. Carbon 38, 169 (2000)
  http://ipn2.epfl.ch/CHBU/papers/CNTpapers/Applications/Saito_Carbon00.pdf
  
• In-Mook Choi and Sam-Yong Woo: Development of low pressure sensor based on carbon nanotube field emission. Metrologia 43, 84 (2006)
  http://dx.doi.org/10.1088/0026-1394/43/1/012
  
• D. Carnahan et al.: Field Emission from Arrays of Carbon Nanotubes. (Preprint, 2002)
  http://lib.store.yahoo.net/lib/nanolab2000/Field-Emission.pdf