Wissenschaftler lernen, wie man Nanoröhren herstellt, die nur in eine Richtung zeigen

Aneinandergereihte Wolframdisulfid-Nanoröhrchen ebnen den Weg für neue technische Anwendungen

17.12.2024

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben zum ersten Mal Wolframdisulfid-Nanoröhren hergestellt, die bei ihrer Bildung in die gleiche Richtung zeigen. Sie nutzten eine Saphiroberfläche unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen, um mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung Wolframdisulfid-Nanoröhren zu bilden, die jeweils aus aufgerollten Nanoblättern bestehen. Die Technik des Teams löst das seit langem bestehende Problem der durcheinander gewürfelten Ausrichtungen in gesammelten Mengen von Nanoröhren und verspricht reale Anwendungen für die exotische Anisotropie einzelner Nanoröhren.

Nanoröhren bestehen aus Atomlagen, die zu einer Röhre im Nanomaßstab zusammengerollt sind, wodurch aus einer zweidimensionalen Lage eine eindimensionale wird. Es ist bekannt, dass sie eine Vielzahl von Eigenschaften aufweisen, die von der Art und Weise abhängen, in der sich die Enden der Röhre treffen. So können Kohlenstoff-Nanoröhren entweder leitend oder halbleitend sein, je nachdem, ob in der Röhrenstruktur ein "Drall" zurückbleibt, wenn eine Nanobahn aufgerollt wird.

Wolframdisulfid-Nanoröhren hingegen bestehen aus Nanoblättern, die mehrfach aufgerollt werden, um eine Swiss-Roll-ähnliche Nanostruktur zu schaffen. Interessanterweise ist bekannt, dass sie immer halbleitend sind, unabhängig davon, wie sie aufgerollt sind, was sie zu einem erstklassigen Kandidaten für die Anwendung in halbleitenden Geräten macht. Um jedoch alle wünschenswerten Eigenschaften einzelner Wolframdisulfid-Nanoröhren zu erhalten, müssen in realen Geräten die Nanoröhren in großen Mengen an der gleichen Stelle angeordnet werden. Dies kann erreicht werden, allerdings mit einer wichtigen Einschränkung: Die Nanoröhren zeigen normalerweise in zufällige Richtungen. Dies wirkt sich bekanntermaßen nachteilig auf Eigenschaften wie die Ladungsträgermobilität aus, was sich direkt auf den Nutzen in Geräten auswirkt. Außerdem werden alle einzigartigen optischen Eigenschaften maskiert. Egal wie interessant die richtungsabhängigen Eigenschaften einzelner Nanoröhren sind, die Eigenschaften mehrerer Nanoröhren spiegeln diese nicht wider, da sie aus einem durcheinandergewürfelten Haufen bestehen.

Nun hat ein Team unter der Leitung von Professor Kazuhiro Yanagi von der Tokyo Metropolitan University eine neue Technik entwickelt, die dieses seit langem bestehende Problem lösen könnte. Sie verwendeten ein Saphir-Substrat mit einer bestimmten kristallinen Ebene, die an der Oberfläche freiliegt und eine Schablone bildet, auf der Nanoröhren gezüchtet werden können. Wolfram- und schwefelhaltige Gase wurden dem Substrat in bestimmten Mengen und bei bestimmten Temperaturen zugeführt, um durch chemische Gasphasenabscheidung mehrwandige gerollte Wolframdisulfid-Nanoröhren auf der Oberfläche zu bilden. Unter den richtigen Bedingungen stellten sie fest, dass die Nanoröhren alle in eine bestimmte kristallografische Richtung zeigten. Dies ist das erste Mal, dass angeordnete Wolframdisulfid-Nanoröhren gezüchtet wurden.

Das Team wies nach, dass ihre Nanoröhren-Arrays insgesamt immer noch die exotischen, anisotropen Eigenschaften einzelner Nanoröhren aufweisen, insbesondere in Bezug auf ihre Wechselwirkung mit Licht. Sie glauben, dass ihre Technik die Anwendung von Wolframdisulfid-Nanoröhren in realen Geräten ermöglichen wird, die ihre exotischen elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften voll ausnutzen.

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Originalveröffentlichung

Abdul Ahad, Yohei Yomogida, Md. Ashiqur Rahman, Akane Ihara, Yasumitsu Miyata, Yasushi Hirose, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Zheng Liu, Kazuhiro Yanagi; "Synthesis of Arrayed Tungsten Disulfide Nanotubes"; Nano Letters, Volume 24, 2024-10-15

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