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Legende:
Kobalt-Phthalocyanin-Nanodrähte, die auf einem mit
Silberpartikeln belegtem Eisen-Phthalocyanin-Nanodraht gewachsen
sind (TEM-Bild)
Organische Halbleiter sind viel versprechende Kandidaten für
die Herstellung billiger, grossflächiger und flexibler
optischer und mikro- bis nanoelektonischer Bauteile wie
Transistoren, Dioden, und Sensoren. Vorausgesetzt es gelingt, die
Komponenten elektrisch leitend miteinander zu verbinden, sie also
in Schaltkreise einzubinden. Empa-Forscher und -Forscherinnen haben
ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich einfache Netzwerke aus
organischen Nanodrähten herstellen lassen.
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Der Ursprung: das EU-Projekt
«PHODYE»
Nachdem der spanische Physiker Angel Barranco nach einem
dreijährigen Forschungsaufenthalt an der Empa nach Valencia
zurückgekehrt war, initiierte er das EU-Projekt
«PHODYE» – unter anderem mit seinen ehemaligen
Empa-KollegInnen. Ziel ist, hoch sensible optische Gassensoren zu
entwickeln, beispielsweise um Strassenverkehrsemissionen zu
überwachen oder um Laborpersonal sowie Bergwerkarbeiter
frühzeitig vor Giftstoffen zu warnen. Die Sensoren basieren
auf fluoreszierenden Dünnschichten, die beim Kontakt mit
bestimmten Gasmolekülen Farbe und Fluoreszenz
ändern. |
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«Uns schwebte zunächst eine Art elektronischer
Schlüssel für Sicherheitsanwendungen vor, der nur auf
bestimmte optische Bedingungen reagiert», erklärt der
Empa-Physiker Pierangelo Gröning. Hierfür waren
transparente, stark fluoreszierende Dünnschichten gefragt.
Deswegen entwickelten Gröning und Barranco ein
Plasmaabscheidungsverfahren, um fluoreszierende
Farbstoffmoleküle wie Metallo-Porphyrine, Perylene und
Phthalocyanine unversehrt und in hoher Konzentration in
SiO2- oder TiO2-Schichten einzulagern. |
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Schnell
zeigte sich: Lagern sich bestimmte Gasmoleküle an die
Farbstoffteilchen in den Dünnschichten an, fluoreszieren diese
Teilchen in einer anderen Wellenlänge, das heisst in einer
anderen Farbe, und die Dünnschicht ändert dadurch ihre
Farbe. Kommen verschiedene Farbstoffe zum Einsatz, lassen sich
unterschiedliche, für den Menschen gefährliche Gase
bereits in kleinsten Mengen detektieren. |
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Überraschend vielseitig einsetzbar
Für viele Sensoranwendungen ist allerdings auch ein
möglichst schnelles Ansprechverhalten wichtig – was sich
mit kompakten Plasmafarbschichten kaum erfüllen lässt.
Anders mit möglichst offenporigen Schichten – etwa in
Form eines «Teppichflors» im Nanomassstab –, von
denen sich die WissenschaftlerInnen zudem weitere Vorteile
erhofften: Durch sie erhöht sich die Adsorptionsfläche
für die nachzuweisenden Gasmoleküle, und die
Diffusionswege verkürzen sich; dadurch sollte der Sensor
deutlich schneller reagieren. Die Physikerin Ana Borras entwickelte
daraufhin ein neues Vakuumdepositionsverfahren zur Synthese
organischer Nanodrähte. |
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Inzwischen können die Empa-Forschenden sogar – je nach
Ausgangsmolekül und Versuchsbedingungen – Nanodrähte
mit den unterschiedlichsten Eigenschaften herstellen.
Nanodrähte aus Metallo-Phthalocyanin-Molekülen weisen
etwa einen Durchmesser von lediglich 10 bis 50 Nanometer und eine
Länge von bis zu 100 Mikrometer auf. Das Besondere und
Unerwartete am neuen Verfahren: Bei genauer Kontrolle von
Substrattemperatur, Molekülfluss und Substratvorbehandlung
zeigen die organischen Nanodrähte über ihre gesamte
Länge einen bislang unerreichten perfekten monokristallinen
Aufbau. |
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Legende: Unter dem Rasterelektronenmikroskop
(REM): Palladium-Oktaethyl-Porphyrin-Nanolamellen und
-Nanodrähte, die auf mit Silberpartikeln belegten
Perylen-Nanodrähten gewachsen sind.
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Schon
nach den ersten elektronenmikroskopischen Untersuchungen war
Gröning klar, dass das neue Verfahren nicht nur
Nanodrähte für die beabsichtigten Gassensoren liefert,
sondern auch komplexe «Nanodraht-Schaltkreise» für
(opto-)elektronische Anwendungen wie Solarzellen, Transistoren und
Dioden ermöglicht. Denn verschiedenartige Nanodrähte
können miteinander beliebig zu Netzwerken mit den
unterschiedlichsten Eigenschaften kombiniert werden, wie
Gröning & Co. unter anderem in der Fachzeitschrift
«Advanced Materials» berichteten. |
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Der
Trick dabei: Die auf der Oberfläche gewachsenen
Nanodrähte werden in einem zweiten Schritt durch ein
Sputter-Beschichtungsverfahren mit Silber-Nanopartikeln
«dekoriert»; ein Target – in diesem Fall ein
Silberfestkörper – wird mit energiereichen Ionen
beschossen, wodurch sich Silberatome herauslösen, in die
Gasphase übergehen und auf den Nanodrähten ablagern. Und
darauf kann das Empa-Team in einem letzten Schritt weitere
Nanodrähte wachsen lassen – die mit dem Ursprungsdraht
via Silberpartikel erst noch elektrisch leitend verbunden sind: die
Grundstruktur eines verzweigten Schaltkreises im Nanomassstab. |
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Der erste Schritt von der Mikro- zur Nanoelektronik
Erste Leitfähigkeitsmessungen in einem speziellen
4-Spitzen-Rastertunnelmikroskop im Ultrahochvakuum haben selbst die
kühnsten Erwartungen übertroffen: Das Material besitzt
eine aussergewöhnlich hohe Qualität. «Das
eröffnet uns die Möglichkeit, bald auch organisches
Material als Halbleiter herzustellen», ist Gröning
zuversichtlich. «Und dies erst noch mit einem einfachen und
günstigen Verfahren.» Inzwischen gelingt es den
ForscherInnen, immer komplexere Nano-Drahtstrukturen zu
synthetisieren und diese mit viel Geschick und
Fingerspitzengefühl zu verbinden. |
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Zum
Beispiel Nanodrähte, die abschnittweise aus unterschiedlichen
Ausgangsmolekülen bestehen. Verwendet man dabei Moleküle,
die entweder nur positive oder nur negative Ladungen transportieren
können, entsteht eine Diode, die den Strom nur in eine
Richtung «durchlässt». Gut möglich,
spekuliert Gröning, dass daraus eines Tages Bauteile für
die Nanoelektronik und Nanophotonik entstehen. |
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