Heteroübergänge in Nanoröhren
Erstmals gelingt die Verknüpfung von eindimensionalen Nanostrukturen mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Das könnte für effizientere Solarzellen von Nutzen sein.
An der Grenzschicht von verschiedenen Halbleitermaterialien bilden sich Heteroübergänge aus. Diese finden sich beispielsweise in III-V-Halbleitern, die mit lithografischen Methoden strukturiert werden können. In filigranen Nanostrukturen gestaltete sich die Bildung solcher Übergänge bisher schwierig. Doch mit einem komplexen Fertigungsverfahren gelang es nun japanischen und chinesischen Wissenschaftlern, eindimensionale Nanoröhren über einen solchen Heteroübergang miteinander zu verknüpfen. Ein Vorteil dieser Strukturen liegt in der langen Lebensdauer von Ladungsträgern. Dadurch könnte sich der Wirkungsgrad organischer Solarzellen optimieren lassen.
Abb.: Ein Heteroübergang zwischen zwei Nanoröhren mit unterschiedlichen, elektronischen Eigenschaften. (Bild: T. Fukushima, Riken)
„Die Konstruktion von eindimensionalen Halbleiterstrukturen mit linearen Verknüpfungspunkten war bisher eine große Herausforderung“, sagt Takanori Fukushima vom Riken-Forschungszentrum in Saitama. Zusammen mit seinen Kollegen aus Tokio, Osaka und Shanghai hat er einen Weg gefunden, diese winzig kleinen und hoch begehrten Strukturen im Labor herzustellen. Sie ließen in organischen Lösungsmitteln kohlenstoffhaltige Substanzen miteinander reagieren. Durch Selbstorganisation bildeten sich dabei winzige Röhren aus Kohlenstoff, an denen symmetrisch angeordnet Phenyl-Gruppen hingen.
An diese ersten Röhren ließen die Forscher Kupfer-Ionen andocken. So behandelt fungierten die Grenzflächen der Röhren als Keimzelle für das Wachstum einer weiteren Nanoröhre aus einer kohlenstoffhaltigen Lösung. Mit einem Transmissions- Elektronenmikroskop erkannten sie bis zu einige Mikrometer lange Nanoröhren, die aus zwei bis drei selbst optisch klar zu unterscheidenden Abschnitten bestanden.
In weiteren Versuchen verglichen sie die elektronischen Eigenschaften der homogen aufgebauten Nanoröhren mit denen, die sich über einen Heteroübergang miteinander verknüpft hatten. Angeregt mit Laserlicht von 365 Nanometer Wellenlänge sendeten die homogenen Nanoröhren bevorzugt Fluoreszenzlicht bei 585 und 594 Nanometer Wellenlänge aus. Die verknüpften Röhren hingegen zeigten diese Emissionen nicht. Ein interessanter Unterschied für zukünftige Anwendungen zeigte sich auch bei der Lebensdauer freier Ladungsträger. Für knapp 10-5 Sekunden wanderten Elektronen und Elektronenlöcher durch die verknüpften Nanoröhren – die Zeitspanne ist bis zu fünfmal länger als bei homogen aufgebauten Röhren.
„Viele elektronische, organische Materialien benötigen Heteroübergänge für konkrete Anwendungen“, sagt Fukushima. Während diese p/n-Übergänge bisher mit makroskopischen Halbleitern realisiert werden, könnten sie mit den nun hergestellen, verknüpften Nanoröhrchen deutlich schrumpfen. Fukushima hält daher verbesserte, organische Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden für möglich. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die längere Lebensdauer freier Ladungsträger. Denn so ließe sich mehr Strom aus einer Solarzelle abzapfen, bevor es zu einer nicht gewünschten Rekombination von Elektronen und Elektronenlöcher kommt.
Wie man diese verknüpften Nanoröhren in organische Solarzellen integriert, müssen allerdings weitere Arbeiten erst zeigen. Zwar hinken heute organische Solarzellen mit ihren Wirkungsgraden den klassischen, aber starren Modulen aus Silizium deutlich hinterher. Doch mit der weiteren Entwicklung dieser komplexen Nanostrukturen könnten sie deutlich aufholen.
Jan Oliver Löfken
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