Nanostreifen aus geschlitzten Kohlenstoffröhren

Zwei neue Methoden ebnen den Weg zu einer kontrollierten Massenproduktion der vielseitigen, leitenden und halbleitenden Nanowerkstoffe

Stanford/Houston (USA) – Mit Fullerenen, Nanoröhrchen und hauchdünnen Graphenschichten bietet Kohlenstoff zahlreiche Strukturen mit vielseitigen Eigenschaften. Diese Palette wird seit kurzem mit schmalen Streifen aus einatomigen Atomschichten ergänzt. Diese Nanobänder sind je nach Breite leitend oder halbleitend, aber schwierig herzustellen. Nun präsentieren in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature" gleich zwei amerikanische Gruppen neue Verfahren, die zu einer kontrollierten Produktion der Nanobänder im großen Stil führen könnten.

Abb.: Über eine Oxidation schlitzen Wissenschaftler Nanoröhrchen zu flachen Streifen aus Kohlenstoff auf. (Bild: Dmitry V. Kosynkin)

"Diese Bänder sind sehr wichtige Strukturen, lassen sich aber nicht einfach herstellen", sagt James Tour, Chemiker von der Rice University in Houston. Diese Hürde will seine Arbeitsgruppe nun mit aufgeschlitzten Röhrchen aus Kohlenstoff überwinden. Mit einer Oxidation gelang es den Forschern, mehrwandige Nanoröhrchen der Länge nach aufzutrennen. Dazu mischten sie die Röhren in Schwefelsäure und fügten darauf eine stark oxidierend wirkende Lösung aus Kaliumpermanganat hinzu. Sauerstoffatome dockten an die Nanoröhrchen an. An diesen Stellen trennte sich die Röhre wie mit einem Reißverschluss auf.

Nach diesem Prozess entfernten Tour und Kollegen die Sauerstoffatome über eine Reduktion mit Ammoniumhydroxid. So entstanden 100 bis 500 Nanometer breite, transparente und elektrisch leitfähige Nanobänder aus Kohlenstoff. Da sich dieses Verfahren auch für große Mengen eignet, rechnet Tour nun mit Anwendungen der Nanobänder in Solarzellen oder flexiblen Touchscreens.

Ein Produktionsverfahren für schmalere, halbleitende Nanobänder hat sich die Arbeitsgruppe um Hongjie Dai von der Stanford University zum Ziel gesetzt. Auch sie starteten ihren Syntheseprozess mit günstig verfügbaren, mehrwandigen Nanoröhrchen. Diese deponierten sie auf einer Siliziumunterlage und fixierten sie mit einer Kunststoffschicht aus Polymethylmehtacrylat (PMMA). Nach dem Erstarren konnte der PMMA-Film mit den eingelagerten Nanoröhrchen abgezogen werden.

Die eingebetteten, noch vollständigen Nanoröhrchen setzten Dai und Kollegen einem Plasma aus Argon-Ionen aus. Binnen Sekunden ätzten sie so die obere Hälfte der Röhren weg. Die untere Hälfte blieb wegen des schützenden PMMA-Films unversehrt. Je nach Länge dieses Ätzprozesses erhielten die Wissenschaftler ein- bis dreilagige, halbleitende Nanobänder in einer Breite von zehn bis zwanzig Nanometern. Die Kunststoff-Rückstände konnten sie mit Aceton und einem Aufheizen auf bis zu 300 Grad restlos von den filigranen Nanostreifen entfernen. Ein potenzielles Anwendungsfeld für die halbleitenden Bänder ist die Nanoelektronik. Gegenüber den bisher favorisierten Nanoröhrchen haben sie den entscheidenden Vorteil, dass sie immer halbleitend sind, und nicht aufwändig vorher von den elektrisch leitenden Strukturen getrennt werden müssen.

"Diese beiden Techniken ergänzen sich", sagt Mauricio Terrones vom Institute for Science and Technology Research in San Luis Potosi, Mexiko. In beiden Verfahren sieht er großes Potenzial für eine günstige und kontrollierbare Massenproduktion der Nanostreifen. Gelingt das Skalieren auf größere Mengen halbleitender und leitender Nanobänder, werden sehr wahrscheinlich zahlreiche Forschergruppen die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieses Materials detaillierter untersuchen und weitere Anwendungen vorschlagen. "Doch noch ist dieses Spiel in einer sehr frühen Phase", sagt Hongjie Dai.
 
Jan Oliver Löfken
 

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Kosynkin, D. V. et al.: Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons. Nature 458, 872– 876 (2009)
  http://www.nature.com/nature/journal/v458/n7240/abs/nature07872.html
• Jiao, L.  et al.: Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes. Nature 458, 877– 880 (2009)
  http://www.nature.com/nature/journal/v458/n7240/abs/nature07919.html
• Department of Chemistry, Stanford University:
  http://www.stanford.edu/dept/chemistry/department/index.html
• Arbeitsgruppe James M Tour, Rice University:
  http://www.jmtour.com/
  

Weiterführende Literatur:

• Cano-Márquez, A. G. et al.: Nano Letters. 9, 1527–1533 (2009)
• Ci, L. J. et al.: Nano Research. 1, 116–122 (2008)
• Li, X. L. et al. Science 319, 1229–1232 (2008)
• Geim, A. K. & Novoselov, K. S.: Nature Materials. 6, 183–191 (2007)

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