Vorsicht, Stufe!

Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen auf Saphiroberflächen entlang atomarer Stufen

17.11.2004

Für die Herstellung nanoskopischer elektrischer Schaltkreise sind sie die idealen Kandidaten: Definierte Strukturen von Nanodrähten auf einem Wafer, einer hauchdünnen Scheibe aus halbleitendem Material. Ein Team vom Weizmann Institute of Science in Israel hat nun eine neue Methode entwickelt, wie man Drähte aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen in eine parallele Ausrichtung zwingt: Die Röhrchen wachsen entlang atomarer "Treppenstufen" einer Saphiroberfläche.

Eigentlich forschte das Team um Ernesto Joselevich zunächst in eine etwas andere Richtung: Sie versuchten, Kohlenstoff-Nanoröhrchen während deren Entstehung durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Vorzugsrichtung auf der Wafer zu geben. Das funktioniert auch recht gut mit Siliciumdioxid-Wafern, auf einem Träger aus Saphir dagegen nicht: Die Nanoröhrchen ordneten sich zwar parallel an, aber in einer Ausrichtung, die völlig unabhängig vom elektrischen Feld war - auch wenn überhaupt keine Spannung angelegt wurde!

Eine genauere Untersuchung der Saphiroberfläche brachte des Rätsels Lösung: Kommerzielle Saphirwafer sind meist nicht exakt entlang der Ebenen des Kristalls geschnitten. Ihre Oberfläche ist daher nicht ganz glatt, sondern weist parallel zueinander verlaufende - atomar dimensionierte - Stufen zwischen den verschiedenen Kristallebenen auf. Und entlang dieser Stufen kommen die Nanoröhrchen zu liegen. Die Forscher erklären sich das so: Die Nanoröhrchen bilden sich ausgehend von einem Katalysator, der zugegeben wird, nämlich nanoskopischen Eisenpartikeln. Offenbar mögen diese Eisenpartikel nicht "Treppe laufen", sondern "gleiten" wie auf Schienen immer entlang der Innenkante einer Stufe. So bleiben sie kontinuierlich mit zwei statt mit nur einer Fläche in Berührung, was den Katalysator zu stabilisieren scheint. Wie ein Flugzeug seinen Kondensstreifen lässt das Eisenpartikel die entstehende Nanoröhre entlang seiner Bahn zurück. Die Nanoröhrchen machen sogar Knicke der Treppenstufen mit, die aufgrund von kleinen Fehlstellen im Kristall auftreten können. Dabei entstehen außer geraden auch zickzackförmige Röhrchen - denen besonders interessante elektronische Eigenschaften nachgesagt werden.

"Die Ausrichtung und Gestalt der atomaren Stufen einer Kristalloberfläche kann über den Schneidprozess gut gesteuert werden, Fehlstellen lassen sich zudem künstlich erzeugen," sagt Joselevich. "So sollten sich verschiedene Anordnungen von Nanodrähten gezielt herstellen lassen."

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