Wissenschaftler fädeln Reihen von Metallatomen zu Nanofaserbündeln

Die Einlagerung von Indium in Nanostrukturen verspricht Anwendungen für Nanoschaltkreise

13.03.2023 - Japan

Forschern der Tokyo Metropolitan University ist es gelungen, Indium-Metall-Atome zwischen einzelnen Fasern in Bündeln von Übergangsmetall-Chalcogenid-Nanofasern einzufädeln. Durch Eintauchen der Bündel in Indiumgas konnten sich Reihen von Atomen ihren Weg zwischen die Fasern bahnen und durch Interkalation eine einzigartige Nanostruktur schaffen. Mit Hilfe von Simulationen und Widerstandsmessungen konnte gezeigt werden, dass einzelne Bündel metallische Eigenschaften haben, was den Weg für eine Anwendung als flexible Nanodrähte in Nanoschaltkreisen ebnete.

Atomare Drähte aus Übergangsmetallchalkogeniden (TMCs) sind Nanostrukturen, die aus einem Übergangsmetall und einem Element der Gruppe 16 wie Schwefel, Selen und Tellur bestehen. Sie sind in der Lage, sich selbst zu einer breiten Palette von Strukturen mit unterschiedlicher Dimensionalität zusammenzufügen, was sie zum Kernstück einer Revolution bei den Nanomaterialien macht, die in den letzten Jahren intensiv erforscht worden ist. Besonderes Interesse hat eine Klasse von 3D-TMC-Strukturen geweckt, die aus Bündeln von TMC-Nanofasern bestehen, die durch Metallatome zwischen den Fasern zusammengehalten werden und im Querschnitt ein wohlgeordnetes Gitter bilden (siehe Abbildung 1). Je nach Wahl des Metalls könnte die Struktur sogar zu einem Supraleiter gemacht werden. Wenn man die Faserbündel dünn macht, können sie außerdem zu flexiblen Strukturen werden, die Strom leiten: Das macht TMC-Nanostrukturen zu einem erstklassigen Kandidaten für die Verwendung als Leitungen in Nanoschaltkreisen. Bisher war es jedoch schwierig, aus diesen Strukturen die langen, dünnen Fasern herzustellen, die für eine eingehende Untersuchung und für Anwendungen in der Nanotechnologie erforderlich sind.

Ein Team unter der Leitung von Assistant Professor Yusuke Nakanishi und Associate Professor Yasumitsu Miyata hat Synthesetechniken für TMC-Nanostrukturen untersucht. In ihrer jüngsten Arbeit haben sie gezeigt, dass sie lange, dünne TMC-Bündel (ohne Metall) über beispiellos große Längenskalen herstellen können. Jetzt haben sie eine Dampfphasenreaktion eingesetzt, um atomar dünne Reihen von Indium in dünne Wolframtelluridbündel einzufädeln. Indem sie ihre langen Nanofaserbündel im Vakuum bei 500 Grad Celsius Indiumdampf aussetzten, bahnten sich die Indiummetallatome ihren Weg in den Raum zwischen den einzelnen Nanofasern, aus denen die Bündel bestehen, und bildeten eine einlagernde (oder überbrückende) Indiumreihe, die die Fasern zusammenhält.

Nachdem sie erfolgreich große Mengen dieser fadenförmigen TMC-Bündel hergestellt hatten, untersuchten sie die Eigenschaften ihrer neuen Nanodrähte. Durch die Untersuchung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur konnten sie eindeutig nachweisen, dass sich die einzelnen Bündel wie ein Metall verhalten und somit Strom leiten. Dies stimmte mit Computersimulationen überein und zeigte auch, wie gut geordnet die Strukturen waren. Interessanterweise stellten sie fest, dass sich diese Struktur leicht von den Massenchargen gebündelter Nanofasern unterscheidet, da die eingelagerten Reihen jede Nanofaser zu einer leichten Drehung um ihre Achse veranlassen.

Die Technik des Teams ist nicht nur auf Indium- und Wolframtellurid und auch nicht auf diese spezielle Struktur beschränkt. Sie hoffen, dass ihre Arbeit ein neues Kapitel in der Entwicklung von Nanomaterialien und der Erforschung ihrer einzigartigen Eigenschaften aufschlagen wird.

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