Widerstandsfähig und leitend – Nano-Drähte aus Kohlenstoff

Dresdner Forscher stellen leitfähige Nano-Bausteine mit diamantähnlichen Eigenschaften her

Dünne
Schichten aus Kohlenstoff sind für technische Anwendungen, etwa für die
Mikromechanik oder -elektronik, äußerst interessant. Abhängig vom
Bindungszustand der äußeren Elektronen herrscht entweder eine Graphit-
oder eine Diamantähnlichkeit vor. Während das weiche Graphit leitfähig
ist, handelt es sich bei der sehr widerstandsfähigen
Diamantkonstellation um einen Isolator. Gemeinsam mit Dresdner Partnern
gelang es Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
erstmals, für Nano-Bauelemente aus Kohlenstoff den elektrischen
Widerstand einfach und gezielt einzustellen. Dazu nutzten sie fein
gebündelte Ionenstrahlen.

Nano-Materialien
aus Kohlenstoff weisen einzigartige Eigenschaften auf, die sie für
viele technologische Einsatzgebiete prädestinieren. Allerdings
unterscheiden sich die mechanischen, optischen und elektrischen
Eigenschaften dünner Kohlenstoff-Schichten je nach chemischer Bindung
sehr stark. Liegt eine Diamantähnlichkeit vor, so hält das extrem
stabile Material hohe Ströme, Spannungen und Temperaturen aus. Als
Isolator war das Material bisher jedoch für viele Bereiche
uninteressant. „Wir wollten herausfinden, ob wir in diamantähnliche
Schichten mit einem besonders fein gebündelten Ionenstrahl leitfähige
Strukturen eingravieren können“, formuliert der Physiker Dr. Peter
Philipp die Leitfrage seiner Doktorarbeit am Dresdner Helmholtz-Zentrum.

Im Ionenstrahlzentrum
des HZDR ist es möglich, Ionen in einem Strahl von nur rund zehn
Nanometern zu bündeln – und das mit ganz unterschiedlichen Ionen-Sorten.
„Mit diesem sehr schmalen Strahl haben wir in systematischen
Untersuchungen besonders feine Strukturen wie beispielsweise Nano-Drähte
erzeugt und untersucht, welchen Einfluss die Ionenbestrahlung
einerseits und die Geometrie andererseits auf den spezifischen
Widerstand und damit auf die Leitfähigkeit haben“, so Dr. Philipp.
Unterstützt wurde er von Kollegen aus dem HZDR sowie dem
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden
und dem Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik (IOF) der TU
Dresden. So fanden die Wissenschaftler heraus, dass sich mit der Zeit
der Ionenbehandlung der Widerstand über einen sehr weiten Bereich
reproduzierbar einstellen lässt.

Heizung verstärkt Effekt

Treffen
wenige Ionen auf die Kohlenstoffschicht, so wird lokal die Diamant- in
die leitfähige Graphitkonstellation umgewandelt. Dabei spielen atomare
Umordnungsprozesse eine wichtige Rolle. Heizt man die Probe während des
Beschusses noch zusätzlich auf, so verstärkt dies den Effekt. Erstmalig
konnten die Forscher zudem zeigen, dass schwere Ionen – zum Beispiel
Gold oder Bismut – im Vergleich zu leichten Ionen – Silizium oder
Germanium – eine um Größenordnungen höhere Leitfähigkeit bewirken. Das
hat unter anderem mit dem enormen Energieeintrag der schwereren Ionen zu
tun.

„Unsere Anlage
für den fokussierten Ionenstrahl ist ein ideales Tool für die Forschung,
denn damit können wir flexibel, präzise und schnell Nano-Strukturen
erzeugen“, betont Dr. Philipp. „Ein großer Vorteil ist auch, dass wir
ohne den Einsatz von Masken auskommen.“ Da man für viele Anwendungen
leitfähige Nano-Drähte benötigt, haben die Dresdner Forscher diese nicht
nur auf unterschiedlichen Substraten hergestellt, sondern auch
kontaktiert. Hierfür erzeugten sie mit dem fein gebündelten Ionenstrahl
zwei Nano-Drähte, die sie wie ein Kreuz übereinander legten
(Van-der-Pauw-Struktur). Die Ergebnisse erschienen vor kurzem in der
Fachzeitschrift Carbon.

Die
Arbeiten wurden im gemeinsamen DFG-Projekt „Strukturbildende Prozesse
in amorphen Kohlenstoffschichten“ von HZDR, Leibniz-Institut für
Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden sowie Institut für
Oberflächen- und Fertigungstechnik (IOF) der Technischen Universität
Dresden durchgeführt.