Archiv der Kategorie: Nanotechnologie

Neue Nanodrähte aus „Schmierstoff“

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Pressemitteilung der TU Dresden vom 10.03.2009

Nanoröhren aus Kohlenstoff gelten wegen ihrer herausragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften als Top-Kandidaten, um mikroelektronische Bauelemente weiter zu miniaturisieren und das heute gängige Silizium eines Tages zu verdrängen. Der technologischen Anwendung stehen jedoch ungünstige Material-Eigenschaften entgegen, wie etwa das Zusammenkleben der Röhrchen. Wissenschaftler der TU Dresden und des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD) demonstrierten die Überlegenheit von Nanodrähten aus Molybdänsulfid in Experiment und Simulation und veröffentlichten ihre Ergebnisse vor kurzem in dem Fachjournal „Nano Letters“.

Seit der Entdeckung der Kohlenstoff-Nanoröhren im Jahr 1991 arbeiten Wissenschaftler intensiv daran, die Nanoröhren für unterschiedlichste Technologien zu erschließen: man erhofft sich Nanoröhren-Transistoren oder Nanoröhren-Speicher aus Kohlenstoff. Die nur wenige millionstel Millimeter kleinen Röhrchen könnten aber auch in der Medizin oder in neuen Bildschirmgenerationen zum Einsatz kommen, wären da nicht einige hinderliche Eigenschaften bei der Integration zu überwinden. So gelingt die elektronisch oder sogar strukturell sortenreine Herstellung der Nanoröhren nur mit aufwendigen Hilfsmitteln, die Röhrchen sind schwach löslich und verkleben zu Bündeln. Auch lassen sie sich nur schlecht elektrisch kontaktieren, was ihren Einsatz in der Mikroelektronik erschwert. Prototypen für unterschiedliche Anwendungen konnten zwar in Labors weltweit schon gefertigt werden, doch spielen Kohlenstoff-Nanoröhren heute für den Markt kaum eine Rolle.

Das Dresdner Forscherteam um Prof. Gotthard Seifert von der TU Dresden und Dr. Sibylle Gemming vom FZD interessiert sich seit Jahren für Molybdänsulfid (MoS), das als Schmierstoff oder als Beimengung in Katalysatoren vielfach industriell genutzt wird. Für die Substanz gilt, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften deutlich stärker mit der Partikelgröße und -form variieren als bei anderen Materialien. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Flemming Besenbacher (U. Aarhus, Dänemark) gelang nun die Herstellung und vollständige experimentelle wie theoretische Charakterisierung von MoS-Drähten, die mit überragenden Vorteilen aufwarten können: als metallische Drähte sind sie sehr stabil, sie verkleben nicht so leicht wie ihre Verwandten aus Kohlenstoff, sie haben sehr gute elektronische Transport-Eigenschaften und sie lassen sich relativ einfach zu einem Halbleiter umwandeln, indem man sie verdreht. Jedes halbleitende Material besitzt eine typische Bandlücke, die für die konkreten elektronischen und optischen Eigenschaften verantwortlich ist. Bei MoS-Drähten ist interessant, dass diese Bandlücke linear mit dem Verdrillungswinkel mitwächst, was einen möglichen Einsatz als Nano-Schalter nahelegt. Erstaunlich ist zudem die einfache Kontaktierung der MoS-Drähte mit Gold-Elektroden, wobei der Kontakt besonders stark ist: einige wenige Schwefelatome verankern den Draht am Gold, während der Stromfluss direkt durch den zentralen Gold-Molybdän-Kanal erfolgt.

Mit derart überzeugenden Eigenschaften der Molybdänsulfid-Drähte hatten nicht einmal die Wissenschaftler gerechnet. Dr. Sibylle Gemming: „Die Berechnungen zeigen, dass viele der Nachteile, die mit den Kohlenstoff-Nanoröhren einhergehen, für Molybdänsulfid-Drähte nicht zu erwarten sind. Hinzu kommt, dass sie mit allen Vorteilen von Kohlenstoff-Nanoröhren ausgestattet sind. Die neuen Nanodrähte haben deshalb ein echtes Potenzial für zukünftige elektronische Bauelemente.“ Prof. Seifert von der TU Dresden fügt hinzu: „Die Nanodrähte aus ‚Schmierstoff‘ haben uns auf sehr angenehme Weise überrascht. Als nächstes wollen wir daraus nanoelektronische Schaltkreise bauen.“

Neben reinen Molybdänsulfid-Drähten untersuchten die Forscher auch Drähte, deren Eigenschaften durch Zugabe weiterer Elemente modifiziert wurden. Auch diese Verbindungen zeigten sich in den Berechnungen wie im Experiment als vielversprechend.

Veröffentlichungen:
1. „Electromechanical Switch Based on Mo6S6 Nanowires“, I. Popov; S. Gemming; S. Okano; N. Ranjan; G. Seifert, in: NANO LETTERS 8, S. 4093-4097 (2008).
2. „Atomic-Scale Structure of Mo6S6 Nanowires“, J. Kibsgaard; A. Tuxen; M. Levisen;  E. Laegsgaard; S. Gemming; G. Seifert; J.V. Lauritsen; F. Besenbacher, in: NANO LETTERS 8, S. 3928-3931 (2008).
3. „Designing miniature wires for small-scale electronics“, I. Popov, G. Seifert, S. Gemming, in: SPIE newsroom, 25.02.2009, DOI: 10.1117/2.1200901.1456.

Externer Link: www.tu-dresden.de

Forscher visualisieren Wellen von Elektronen auf der Nanometerskala

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Presseinformation der Universität Göttingen vom 26.02.2009

Göttinger Physiker nutzen dazu ein selbstentwickeltes Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop

Mit einem speziell entwickelten Rastertunnelmikroskop ist es Physikern aus Göttingen, Jülich und Halle gelungen, die durch „Defekte“ hervorgerufenen Elektronenwellen in einem Festkörper im Nanometerbereich sichtbar zu machen. Die Form der beobachteten Muster weist dabei einen Zusammenhang auf zu einer lange bekannten Materialeigenschaft, der Fermi-Fläche. Sie beschreibt die energetischen Zustände von Elektronen eines Metalls und ist für die Anwendung in neuen magnetischen Materialien von Bedeutung. Die Untersuchungen an der Universität Göttingen wurden am IV. Physikalischen Institut im Schwerpunkt Festkörper- und Materialphysik durchgeführt. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift „Science“ vorgestellt.

Die Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Materie im atomaren Bereich und zeichnet sich wesentlich durch den Dualismus von Welle und Teilchen aus. Der Wellencharakter von Elektronen, der maßgeblich die physikalischen Eigenschaften eines Festkörpers bestimmt, ist experimentell jedoch nur schwer sichtbar zu machen. Anders als Wasserwellen, die sich auf der Oberfläche eines Sees nach einem Steinwurf kreisförmig ausbreiten, kann die Ausbreitung von Elektronen als sogenannte Huygensche Elementarwelle sehr komplexe Strukturen annehmen. Ihre Visualisierung auf der Nanometerskala gelang Dr. Alexander Weismann, Dr. Martin Wenderoth und Prof. Dr. Rainer G. Ulbrich zusammen mit Experten des Forschungszentrums Jülich und der Universität Halle-Wittenberg.

Als „Störungen“ verwendeten die Forscher einzelne Kobaltatome, die mehrere Lagen unter einer atomar glatten Kupferoberfläche präpariert wurden. An diesen Verunreinigungen werden Elektronen gestreut. Dadurch entsteht ein stehendes Wellenmuster mit langer Reichweite, das mit Hilfe des Göttinger Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops an der Oberfläche sichtbar gemacht werden konnte. Dabei hat sich gezeigt, dass sich die Elektronenwellen in bevorzugte Richtungen ausbreiten. Dieses Phänomen, das als Elektronenfokussierung bezeichnet wird, kann nach Angaben von Dr. Weismann in weitergehenden Anwendungen ähnlich wie ein Echolot eingesetzt werden, um „vergrabene“ Nanostrukturen abzubilden.

Originalveröffentlichung:
A. Weismann, M. Wenderoth, S. Lounis, P. Zahn, N. Quaas, R.G. Ulbrich, P.H. Dederichs, S. Blügel: Seeing the Fermi Surface in Real Space by Nanoscale Electron Focusing, Science 323 (2009)

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Bauteile aus nanostrukturierten Materialien

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Februar 2009

Werkstoffe, die aus einem Gefüge von Nanoteilchen bestehen, sind fester und härter als Materialien aus größeren Teilchen. Ein neues Herstellungsverfahren sorgt dafür, dass solche feinkristallinen Strukturen auch bei der Weiterverarbeitung erhalten bleiben.

Aluminium ist leicht, verbiegt allerdings auch schnell. Hat es jedoch eine nanometerkleine Struktur, zeigt es andere Eigenschaften: Das Material ist wesentlich stabiler und fester. Daher ist es wie geschaffen für Aluschrauben in Motoren, die hohen Temperaturen standhalten müssen. Auch für Leichtbauteile eignet sich dieser Werkstoff hervorragend, denn je fester das Material, desto dünner kann das Blech für die Bauteile sein. Ausschlaggebend für die Eigenschaften ist die geringe Größe der Kristalle: Sie sind bedeutend kleiner als bei herkömmlichen Werkstoffen. Man spricht daher auch von feinkristallinen Gefügen.

Eine Herausforderung liegt in der Weiterverarbeitung solcher Nanowerkstoffe zu Werkzeugen oder Bauteilen: Beim Pressen oder Fügen muss das Material erwärmt werden. Die Kristalle wachsen, die Strukturen werden größer. Kurzum: Das Material verliert bei der Erwärmung die »Nanoeigenschaften«. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden haben sich dieser Herausforderung angenommen. »Ziel ist es, die feinkristalline Struktur während des gesamten Herstellungsprozesses von Bauteilen zu erhalten«, erklärt Dr. Ronny Leuschner, Projektleiter am IFAM. Die Forscher haben dafür eine spezielle Technologiekette aufgebaut, zum Beispiel für die Herstellung von nanostrukturierten Aluminiumwerkstoffen. »Dafür stellen wir zunächst eine spezielle Aluminium-Legierung her«, sagt Leuschner. »Die metallische Schmelze müssen wir sehr rasch abkühlen. Wir frieren sie quasi ein.« Dafür verwenden die Forscher das »Melt Spinning«-Verfahren: Eine eigens entwickelte Spritzvorrichtung gießt die Schmelze auf eine wassergekühlte rotierende Rolle und erzeugt gleichmäßige, nur wenige Mikrometer dünne Bandstücke, Flakes genannt. Kaum auf der Rolle, sinkt die Temperatur der Schmelze rapide und das Band erstarrt in Hochgeschwindigkeit. Der Vorteil der Vorrichtung: Sie eignet sich für mehrere Kilogramm Material und hält Temperaturen von mehr als 1700 Grad Celsius aus. »Nach dem Erstarren müssen wir die Flakes kompaktieren und in die gewünschte Form pressen«, sagt Leuschner. Auch dabei dürfen die feinkristallinen Strukturen nicht verloren gehen. Die Forscher nutzen hier das Spark-Plasma-Sintern: Hochfrequente Strompulse innerhalb der Pressvorrichtung kompaktieren das Material in sehr kurzer Zeit, sodass die feinen Mikrostrukturen erhalten bleiben. Die Anwendungen der Nanowerkstoffe reichen von leichteren Alu-Bauteilen mit verbesserter Festigkeit, Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit über die Speicherung von Wasserstoff und die Energiegewinnung mit thermoelektrischen Werkstoffen bis hin zur Elektrotechnik.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Wasserspalter mit Doppelrolle

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 20.01.2009

Mit Sonnenlicht und einem altbekannten Kunststoff lässt sich aus Wasser Wasserstoff produzieren

Wasserstoff ist ein Hoffnungsträger, der Probleme macht. Er ist energiereich, sauber und, in seiner Verbindung mit Wasser, quasi unbegrenzt verfügbar. Bislang aber ist schwer an ihn heranzukommen: Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben jetzt einen Weg gefunden, auf dem sich Wasserstoff einfach und kostengünstig herstellen lässt. Sie gewinnen den Energieträger aus Wasser, indem sie es mit Sonnenlicht bestrahlen und dabei einen Kohlenstoffnitrid als preiswerten Photokatalysator einsetzen. Bislang waren für solche Reaktion immer anorganische Halbleiter in Kombination mit teuren Edelmetallen wie Platin nötig. (Nature Materials, Januar 2009)

Wasserstoff wird als der Energieträger der Zukunft angesehen. In einem Kilogramm Wasserstoff steckt etwa dreimal soviel Energie wie in einem Kilogramm Erdöl. Zudem entstehen keine Schadstoffe, sondern ausschließlich Wasser, wenn man beispielsweise in Brennstoffzellen Energie aus ihm gewinnt. Wasserstoff kommt auf der Erde jedoch nur in Form von Verbindungen, wie eben Wasser, vor. Um mit ihm Energie zu erzeugen, braucht man Wasserstoff in seiner reinen Form – und zwar bestenfalls mit regenerativen Energiequellen wie etwa Sonnenlicht produziert.

Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung ist jetzt ein Schritt in diese Richtung gelungen – und zwar ausgerechnet mit einem der ältesten künstlichen Polymere, das Chemiker kennen. Sie haben ein Kohlenstoffnitrid, das Justus Liebig schon 1834 erstmals herstellte und Melon nannte, genutzt, um Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe des Sonnenlichtes zu erzeugen. „Das Besondere an Kohlenstoffnitrid ist, dass es in Wasser selbst bei extrem sauren und basischen Bedingungen stabil ist. Außerdem kann es sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden“, erklärt Xinchen Wang, dessen Arbeitsgruppe die Experimente in Zusammenarbeit mit der Universität Tokio und der Fuzhou Universität in China vorgenommen hat.

Das Kohlenstoffnitrid nutzt das Sonnenlicht, um Wasserstoff aus dem Wasser herauszulösen. Eine Substanz, die Chemiker als Opferreagenz bezeichnen, nimmt dabei den Sauerstoff des Wassers auf. Der Clou: Die Potsdamer Chemiker können auf Edelmetalle wie etwa Platin verzichten. In herkömmlichen Prozessen sind diese – neben einem Halbleiter als Antenne für das Sonnenlicht – nötig, um die Wasserstoffproduktion zu katalysieren. Das Kohlenstoffnitrid erledigt nun beide Aufgaben zugleich, und das als besonders stabiler organischer Halbleiter, der sich einfacher herstellen lässt als die üblicherweise verwendeten anorganischen Stoffe.

Aus dem Reaktionsgefäß der Potsdamer Forscher sprudelten allerdings pro Stunde nur vier Mikromol Wasserstoff. „Unsere Ausbeute ist damit zwar nicht so hoch wie in den etablierten Verfahren“, sagt Xinchen Wang: „Aber wir haben gezeigt, dass sich Wasserstoff prinzipiell nur mit einer einzigen organischen Substanz als Hilfsmittel herstellen lässt.“ Wenn die Forscher die üblichen Mengen Platin als Katalysator zusetzten, stieg die Ausbeute deutlich – und zwar um das siebenfache. Damit ist zu den existierenden Verfahren jedoch nicht viel gewonnen, da diese mit ähnlichen Mengen von Edelmetallen als Katalysatoren arbeiten. Deshalb versuchen Wang und seine Mitarbeiter nun, die Effizienz des Kohlenstoffnitrids zu steigern, indem sie dessen aktive Oberfläche vergrößern.

„Für technische Anwendungen wäre es optimal, wenn wir Wasser in einem Schritt in Wasserstoff und elementaren Sauerstoff zerlegen könnten“, erklärt Wang. Dann kämen die Chemiker ohne Opferreagenz aus, das bislang den Sauerstoff aufnimmt. Das hieße aber, sie müssten den Sauerstoff oxidieren, wie es Pflanzen in der Photosynthese können. Auch das sollte mit Kohlenstoffnitrid als einzigem Hilfsmittel möglich sein, wie Berechnungen der Forscher ergeben haben. In Experimenten brauchen sie dafür bislang aber noch einen zusätzlichen Katalysator.

Nun arbeiten die Wissenschaftler um Wang daran, die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einem geeigneten Aufbau zu kombinieren. Gelingt ihnen dies, ist die Wasserspaltung perfekt und Wasserstoff seiner Rolle als wichtiger Energieträger der Zukunft ein Stück näher. (PH/NV)

Originalveröffentlichung:
Xinchen Wang, Kazuhiko Maeda, Arne Thomas, Kazuhiro Takanabe, Gang Xin, Johan M. Carlsson, Kazunari Domen, Markus Antonietti
A metal-free, polymeric photocatalyst for hydrogen production from water under visible light
Nature Materials, 2009, 8, 76-80

Externer Link: www.mpg.de

Spinelektronische Materialien mit einer ultraschnellen Sonde untersuchen

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Presseinformation der Universität Göttingen vom 13.01.2009

Prozess der Charakterisierung von Materialeigenschaften kann massiv beschleunigt werden

Spinelektronische Materialien, die für die Entwicklung von magnetischen Speichern von Bedeutung sind, lassen sich künftig sehr viel leichter herstellen als bisher: Der langwierige Prozess der Charakterisierung und Optimierung von Materialeigenschaften kann mit Hilfe einer neuen Untersuchungsmethode – einer ultraschnellen Sonde – massiv beschleunigt werden. Entwickelt wurde sie von Wissenschaftlern aus den USA, Frankreich und Deutschland. „Damit sind erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der Spinelektronik zu erwarten“, so Dr. Markus Münzenberg, Physiker und Leiter einer Forschungsgruppe an der Universität Göttingen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.

Elementarteilchen, viele Atomkerne sowie Atome mit bestimmten Elektronenkonfigurationen besitzen einen sogenannten Spin, der die Rotation um die eigene Achse bezeichnet. Weicht die Ausrichtung der Spins in einer Gruppe von Teilchen von ihrer zufälligen Verteilung ab, handelt es sich um Spinpolarisation. Diese lässt sich auf unterschiedlichen Wegen physikalisch beeinflussen und hat dabei Auswirkungen auf die magnetische Struktur von Festkörpern. Nach Angaben von Dr. Münzenberg sagen theoretische Berechnungen eine enorme Anzahl von Materialien mit hoher Spinpolarisation voraus. Bislang wurden jedoch nur wenige realisiert, da zur Herstellung eines Prototyps im Labor zahlreiche Schritte der Strukturierung durchlaufen werden müssen.

Die neu entwickelte Untersuchungsmethode zur ultraschnellen Bestimmung der spinpolaren Materialeigenschaften nutzt die sogenannte Femtosekundendynamik: Dabei werden Elektronen durch kurze Laserpulse mit einer Zeitspanne von 80 Femtosekunden angeregt. Dr. Münzenberg: „Das Elektron selbst ist die Sonde, die in einer Umgebung von wenigen Atomen lokal die elektronischen Eigenschaften ermittelt.“ Materialien mit hoher Spinpolarisation sollen unter anderem als magnetische Speicher in der Nanoelektronik eingesetzt werden: Sie lassen sich beliebig oft löschen und überschreiben, verfügen über hohe Schaltgeschwindigkeiten bei geringem Energieverbrauch und benötigen nur einen Bruchteil des Platzes herkömmlicher Speicherzellen.

Originalveröffentlichung:
G.M. Müller, J. Walowski, M. Djordjevic, G.X. Miao, A. Gupta, A.V. Ramos, K. Gehrke, V. Moshnyaga, K. Samwer, J. Schmalhorst, A. Thomas, A. Hütten, G. Reiss, J.S. Moodera & M. Münzenberg: Spin polarization in half-metals probed by femtosecond spin excitation, Nature Materials 8, 56 – 61 (2009)

Externer Link: www.uni-goettingen.de