22:35 16 Juli 2018
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    Russische Forscher wollen die Elektronik mit Kohlenstoff erobern

    Russische Forscher wollen die Elektronik mit Kohlenstoff erobern

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    Experten der Moskauer Universität für Nuklearforschung MEPhi haben bei einer Studie die Eigenschaften von mit Fullerenen gefüllten Nanoröhren – sogenannten „Kohlenstoff-Peapods“ bei Dehnung – untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass ein solcher Effekt einen Halbleiter in ein Metall verwandelt.

    Die in der Studie gewonnenen Daten werden zur Entwicklung komplexer Nanoelektronik beitragen. Zudem können die Ergebnisse für die Erzeugung von elektromechanischen Schaltern und Sensoren, resonanten Tunneldioden sowie Logikelementen für integrierte Schaltkreise verwendet werden. Der entsprechende wissenschaftliche Artikel wurde in der Zeitschrift „Diamond and Related Materials“ veröffentlicht.

    Dekompressionskammer für Laserstrahlen-Experimente
    © Foto : ELI Beamlines
    Metalle zeichnen sich üblicherweise durch hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, einen erhöhten elektrischen Widerstand bei Erwärmung und metallischen Glanz aus.

    Diese Eigenschaften sind auf das Vorhandensein von freien Elektronen zurückzuführen, die sich unter der Wirkung eines elektrischen Feldes bewegen können. Daher verhalten sich die Materialien dieser komplexen Zusammensetzung mit freien Elektronen wie Metalle.

    In den vergangenen drei Jahrzehnten wurden viele neue Kohlenstoffmaterialien synthetisiert, darunter eine mit Fullerenen gefüllte Nanoröhre. Wegen der optischen Ähnlichkeit mit einer Erbsenschote erhielt sie den Spitznamen „Peapods“ (engl. Erbsenschote).

    „Es stellte sich heraus, dass die Kohlenstoff-Peapods als Halbleiter und Metall verwendet werden können“, erklärt Konstantin Katin, Dozent des Instituts für Physik der kondensierten Materie an der MEPhi-Universität. „Eine Dehnung von nur vier Prozent ist ausreichend, damit metallische Eigenschaften zum Vorschein kommen. Dank der hohen Elastizität der Peapods kann eine solche Dehnung leicht vonstattengehen.“

    Der Abstand zwischen den Fullerenen und der Oberfläche der Nanoröhre ist so gering, dass Elektronenwolken aus den Nanoröhren in die Fullerene eindringen können und zurück – dieses Phänomen wird Hybridisierung genannt. Der Grad der Hybridisierung bestimmt die elektronischen Eigenschaften von Geräten, die auf der Basis von Kohlenstoff-Peapods hergestellt werden können.

    „Alles wird durch das Verhältnis der Energie der Elektronen, die den Nanoröhren und Fullerenen angehören, bestimmt“, erklärt der Professor für Physik der kondensierten Materie an der MEPhi-Universität, Michail Maslow. „Unsere Nanoröhre war ursprünglich Halbleiter und hatte eine Energielücke. Die Elektronen aus Fullerenen konnten diese Lücke nicht füllen, da sie nicht die entsprechende Energie besaßen. Die Anwendung von mechanischer Spannung änderte jedoch das Gesamtbild: Die Energieebenen verschoben sich und die Peapods zeigten metallische Eigenschaften.“

    Für die Erzeugung komplexer nanoelektronischer Bauelemente müssen heute viele verschiedene Materialien, sowohl Metalle als auch Halbleiter, verwendet werden. Jedoch bestätigen die Ergebnisse der von den MEPhi-Forschern durchgeführten Studie, dass sie mit einer einzigen Verbindung ersetzt werden können – nämlich mit den Kohlenstoff-Peapods, die verschiedenen mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Dies vereinfacht die Anordnung von Resonanztunneldioden, Terahertz-Strahlungsgeneratoren, elektronischen Schaltern und Sensoren.

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    Tags:
    Forscher, Elektrik, Forschung, Nano-Technologie, Nationale Universität für Nuklearforschung (MEPhi), Russland
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