Metallische Nanoröhrchen fast sortenrein gezüchtet

Über ein ausgeklügeltes Gasgemisch mit Argon und Helium kann die Ausbeute an metallischen Nanoröhrchen auf über 90 Prozent gesteigert werden.

Winzige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff eignen sich wegen ihrer Stabilität nicht nur für die Entwicklung hochfester Fasern, sondern auch für den Aufbau noch kleinerer und schnellerer elektronischer Schaltkreise. Für die ersten Prototypen von Nanoröhrchen-Transistoren mussten allerdings halbleitende von metallisch-leitenden Röhrchen aufwendig getrennt werden. Einen eleganteren Weg zu sortenreinen Nanoröhrchen schlugen nun amerikanische Wissenschaftler ein. Ihnen gelang durch eine geschickte Wahl der bei der Synthese verwendeten Gase die Produktion von metallischen Nanoröhrchen mit einer Reinheit von über 90 Prozent.

Avetik R. Harutyunyan vom Honda Forschungszentrum in Columbus, Ohio analysierte zusammen mit Kollegen der Purdue University und der University of Louisville den Züchtungsprozess für Nanoröhrchen genauer und zeigte, dass sich die Herstellung von metallischen oder halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen systematisch kontrollieren lässt. Im mittlerweile etablierten Produktionsprozess lagern sich bei etwa 800 Grad Celsius einzelne Kohlenstoffatome aus einer Methanatmosphäre auf einem metallischen Katalysator-Körnchen aus Nickel oder Eisen ab. Dabei entstehen etwa zu einem Drittel metallisch leitende und zu zwei Dritteln halbleitende Nanoröhrchen.

Das Team um Harutyunyan variierte nun jedoch die Atmosphäre während des Röhrchenwachstums mit weiteren Gasen wie Argon, Helium und Wasserdampf. Schon in ersten Versuchen erkannten die Forscher, dass eine Veränderung der Gaskonzentrationen zu unterschiedlichen Verhältnissen von metallischen und halbleitenden Röhrchen führte. Über systematische Versuche mit verschiedenen Gasgemischen, fanden sie schließlich heraus, dass Helium als Trägergas die Bildung von metallischen Nanoröhrchen stark bevorzugte und so eine Ausbeute von 91 Prozent ermöglichte.
 

Den Grund dafür sehen die Wissenschaftler in der Wechselwirkung der jeweiligen Trägergase mit den katalytisch wirkenden Nanopartikeln aus Eisen. So verursachte Argon ein Abrunden der Eisenpartikel, das direkte Auswirkungen auf die Struktur bzw. Chiralität der wachsenden Nanoröhrchen zeigte: Es entstand ein unerwünschtes Gemisch aus leitenden und halbleitenden Röhrchen. Helium als Trägergas jedoch führte zu kantigeren Eisenpartikeln, an denen sich darauf die Kohlenstoffatome bevorzugt zu metallische-leitenden Varianten anordneten. Auch der in der Atmosphäre enthaltene Wasserdampf spielte dabei eine Rolle, die sich die Forscher bisher aber nicht erklären können.

Mit diesen Versuchen rücken Nanoröhrchen aus Kohlenstoff sehr viel näher an den Einsatz zum Aufbau elektronische Schaltkreise heran. Konzentrierten sich viele Physiker, darunter erfolgreich auch deutsche von der Universität Karlsruhe, auf effiziente Verfahren zur Trennung von leitenden und halbleitenden Röhrchen, weist die Kontrolle schon bei der Synthese einen zukunftsträchtigeren Weg auf. Aber auch mit einer 91 prozentigen Ausbeute ist das Problem der sortenreinen Röhrchenproduktion noch nicht gelöst. Doch die Chancen stehen gut, dass auch die richtige Wahl von Katalysator-Partikeln und Gasatmosphäre bald gelöst werden könnte.

Jan Oliver Löfken

 Weitere Infos:

• A.R. Harutyunyan et al.: Preferential Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes with Metallic Conductivity. Science 326, 116 (2009)
  doi: 10.1126/science.1177599

• Honda Research Institute:
  http://www.honda-ri.com/HRI_Us/ 

• University of Louisville:
  http://louisville.edu/

• Birck Nanotechnology Center, Purdue University:
  http://www.purdue.edu/discoverypark/Nanotechnology/ 

Weiterführende Literatur:

• R. Krupke, F. Hennrich, H. V. Löhneysen, M. M. Kappes: Separation of Metallic from Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes. Science 301, 344 (2003)
doi: 10.1126/science.1086534

• P. G. Collins, M. S. Arnold, P. Avouris: Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown. Science 292, 706 (2001)
doi: 10.1126/science.1058782

• S. M. Bachilo et al., Narrow (n,m)-Distribution of Single-Walled Carbon Nanotubes Grown Using a Solid Supported Catalyst. J. Am. Chem. Soc. 125, 11186 (2003)
doi: 10.1021/ja036622c

• L. Qu, F. Du, L. Dai: Preferential Syntheses of Semiconducting Vertically Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes for Direct Use in FETs. Nano Lett. 8, 2682 (2008)
doi:10.1021/nl800967n

KP