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Nanodrähte: Verbindungen zur atomaren Welt

Von Rainer Scharf

In der Elektronik der Zukunft sollen nanometerdünne Drähte ebenso kleine Halbleiterbauelemente miteinander verbinden. Diese Nanodrähte können aber noch viel mehr: Auf Wunsch sind sie Schalter, Sensor, Laser oder Datenspeicher. Und wenn die Bedingungen stimmen, wachsen sie von allein heran und bilden komplexe Netzwerke.

Die Halbleitertechnologie schickt sich an, mit ihren lithographisch gefertigten Strukturen die 100-Nanometer-Marke zu durchbrechen. Mit extremem UV-Licht hofft man in einigen Jahren kleinste Strukturgrößen von 20 Nanometern zu erreichen. Wenn man die Miniaturisierung der Schaltungen aber noch wesentlich weiter treiben will, muss man zu ganz neuen Verfahren übergehen. Zum Beispiel könnte man Nanodrähte und -röhren sowie nanometergroße "Quantenpunkte" zu Schaltungen verknüpfen.

Unter den eindimensionalen Nanostrukturen sind es vor allem die Kohlenstoff-Nanoröhren sowie die Quantendrähte, die man eingehend untersucht hat. Dabei haben sich die Quantendrähte, die aus den unterschiedlichsten Substanzen bestehen können, als besonders vielseitig erwiesen: Sie können metallisch, halbleitend oder supraleitend sein, können fluoreszieren oder Laserstrahlung abgeben und haben interessante magnetische, thermische oder mechanische Eigenschaften. Aus ihnen lassen sich Dioden, Transistoren, Sensoren oder Datenspeicher herstellen. Der Phantasie sind (fast) keine Grenzen gesetzt.

Nanodrähte - leicht gemacht
Es klingt wie Magie: Wenn die Bedingungen stimmen, wachsen Nanodrähte ganz von selbst! Die Kunst besteht darin, möglichst fehlerfreie Drähte von einheitlicher Dicke und Zusammensetzung zu produzieren. Bei manchen Substanzen begünstigt die extrem anisotrope Kristallstruktur das Wachstum der Drähte. Dazu gehören die chemischen Elemente Selen und Tellur, deren Atome sich zu schraubenförmigen Ketten verbinden. Die Ketten bündeln sich dann zu Drähten, die 10 bis 100 Nanometer dick und einige zehntel Millimeter lang sein können.
 

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Abb. 1: Unter dem Rastertunnelmikroskop: ein 3 nm dicker Siliziumdraht [17]. (Quelle: S. T. Lee, City University of Hong Kong)

Younan Xia und seine Mitarbeiter haben Nanodrähte aus Selen und Tellur in einer wässrigen Lösung auf chemischem Wege hergestellt [1]. Zunächst entstanden Kolloidteilchen dieser Elemente, die sich nach und nach auflösten. Die gelösten Atome kristallisierten anschließend in Form von nanometerdünnen Fasern aus. Mit Hilfe von Ultraschall ließ sich dieser Prozess beträchtlich beschleunigen. Da einige Selen- und Tellurverbindungen interessante licht- und thermoelektrische Eigenschaften haben, könnten sich für entsprechende Nanodrähte vielfältige Anwendungen ergeben.

Bei anderen Substanzen muss man ein wenig nachhelfen, damit Nanodrähte entstehen. So nimmt man zum Beispiel V-förmige Einschnitte oder Stufen in Kristalloberflächen als "Gussformen" für die Drähte. Bringt man Metallatome auf solch eine strukturierte Kristalloberfläche, so bilden sich in den Einschnitten oder Stufen linienförmige Abscheidungen. Auf diese Weise haben Reginald Penner und seine Mitarbeiter Molybdändrähte wachsen lassen, die 15 Nanometer dick und 0,5 Millimeter lang waren [2]. Kürzlich konnten diese Forscher "Nanoschmuck" herstellen, indem sie Nanodrähte aus Kupfer, Eisen oder Palladium mit Nanopartikeln aus Silber oder Gold dekoriert haben [3].

Bunt gemustert
Gemusterte Nanodrähte, die wie Mikadostäbchen aussehen, haben kürzlich drei Forschergruppen mit Hilfe eines cleveren Verfahrens hergestellt [4-6]. Winzige Tröpfchen aus flüssigem Gold katalysieren dabei das Wachstum der Nanodrähte. So ein nanometergroßes Tröpfchen liegt anfangs auf einer Unterlage und mit wird Halbleitermaterial wie zum Beispiel Germanium oder Galliumarsenid bedampft.
 

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Abb. 2: Ein bunt gemusterter Nanodraht - die Farben sind allerdings nicht natürlich [5]; rot markierte Bereiche bestehen aus InP, grüne aus InAs. (Quelle: L. Samuelson, Lund University, Sweden)

Der Dampfdruck wird so gering gehalten, dass sich das Halbleitermaterial nicht direkt auf der Unterlage abscheidet. Es kann jedoch in den Goldtropfen eindringen, sich dort anreichern und sich schließlich an der Tropfenunterseite ablagern. Auf diese Weise wächst langsam ein nanometerdickes Türmchen mit einer Goldhaube heran. Ändert man die chemische Zusammensetzung des Dampfes, so bekommt das Türmchen Streifen. Solche gestreiften Nanodrähte können einen Barcode tragen, wie die Preisschildchen im Supermarkt. Je nach Streifenmuster lassen sich die elektrischen und optischen Eigenschaften der Drähte maßschneidern.

Ummantelt oder aufgefädelt
Mit dem Goldtropfen-Verfahren haben Charles M. Lieber und seine Kollegen auch ummantelte Nanodrähte hergestellt [7]. Zunächst ließen sie den Kern des Drahtes wachsen, der aus Germanium oder Silizium bestand. Dann bedampften sie den Kern mit einem anderen Material wie etwa Siliziumoxid. Je nach Wunsch können auch noch weitere Schichten auf dieses Koaxialkabel im Nanometermaßstab aufgetragen werden. So lassen sich Nanodrähte elektrisch isolieren, vor schädigenden Einflüssen schützen oder zu Wellenleitern machen.
 

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Abb. 3: Nanodraht mit Lücken: die DNS hält ihn zusammen [8]. (Quelle: E. Braun, Technion, Haifa)

Um elektrisch leitende Nanodrähte herzustellen, haben Erez Braun und seine Mitarbeiter vom Technion in Haifa einen ungewöhnlichen Weg gewählt. Sie haben ein DNS-Molekül zwischen zwei Goldelektroden eingespannt und dann mit Silber oder Platin überzogen. Der dabei entstehende Nanodraht sah so aus, als hätte man zahllose Metallpartikel auf einer Schnur aufgefädelt. Kürzlich gelang es den Forschern, mit Polymeren, die an bestimmte Nukleotidsequenzen in DNS-Kette binden, gezielt Segmente der Kette abzudecken [8]. An diesen Bereichen bleiben dann keine Metallatome haften. Auf diese Weise könnte man, unter Ausnutzung des genetisches Codes, die Struktur von Nanodrähten und Schaltungen vorprogrammieren.

Grüße aus der Quantenwelt
Je dünner ein metallischer Nanodraht ist, umso weniger ähneln seine elektrischen Eigenschaften denen eines makroskopischen Metalldrahts. Da die Beweglichkeit der Elektronen quer zum Draht stark eingeschränkt ist, machen sich quantenmechanische Effekte bemerkbar. Die elektrische Leitfähigkeit des Drahtes nimmt stufenweise jeweils um ein Leitfähigkeitsquantum 2e2/h ab, wenn man den Draht immer dünner macht. Kurz bevor der Draht reißt, besteht er an seiner dünnsten Stelle nur noch aus einer Kette von Atomen. Seine elektrische Leitfähigkeit wird dann durch die Eigenschaften einzelner Atome bestimmt [9].

In polykristallinen Nanodrähten stellen sich den Leitungselektronen unerwartete Hindernisse in den Weg. Da die einzelnen Nanokristalle nur wenige zusätzliche Elektronen aufnehmen können, entstehen Engpässe. Es kommt zur so genannten Coulomb-Blockade, wie man sie schon von Quantenpunkten her kennt. Jörg Kotthaus und seine Kollegen haben diesen Effekt in Siliziumdrähten untersucht [10]. Je dünner die Nanodrähte werden, umso mehr kommt es auf das Verhalten einzelner Elektronen an. In einem Einzelelektronentransistor sollen einzelne Elektronen sogar einmal merkliche Ströme steuern.

Lasernde Nanodrähte
In Nanodrähten aus kristallinem Halbleitermaterial kann man das Licht einfangen und festhalten wie zwischen zwei parallelen Spiegeln. Enthält der Draht ein lichtverstärkendes Material, so kann er zum Laser werden. Vor zwei Jahren hatten Peidong Yang und seine Mitarbeiter einen UV-Laser entwickelt, der aus gebündelten Nanodrähten bestand. Dieser Laser musste jedoch noch mit Licht "gepumpt" werden [11].
 

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Abb. 4: Licht aus dem Draht: der neue Nanolaser [12]. (Quelle: C. M. Lieber, Harvard)

Einen elektrisch angeregten Laser, der aus einem Cadmiumsulfid-Nanodraht besteht, haben kürzlich Charles Lieber und seine Kollegen präsentiert [12]. Wurde der Nanodraht nur schwach angeregt, so strahlte er Licht vieler verschiedener Wellenlängen ab. Doch sobald die elektrische Anregung genügend stark war, wurde der Draht zum Laser und gab grünes Licht mit einer fest umrissenen Wellenlänge ab. Mit dem Nanodrahtlasers werden extrem kleine elektro-optische Bauelemente möglich, die man in der Telekommunikation, in Datenspeichern oder in Sensoren einsetzen kann. Außerdem ließe sich der neue Laser in Sonden einbauen, mit denen man extrem kleine Strukturen sichtbar machen und analysieren könnte.

Nanoelektronik
Die Nanodrähte eröffnen für die Elektronik ungeahnte Möglichkeiten. Vor allem erlauben sie es, elektronische Schaltungen wesentlich kompakter zu bauen. Die typischen Strukturgrößen der Schaltungen sind dann nicht mehr 100 sondern nur noch wenige Nanometer. Allerdings sucht man noch nach einem Herstellungsverfahren für die Nanoelektronik, das so effektiv ist wie die lithografischen Verfahren der Mikroelektronik.

Aus Nanodrähten, die unterschiedlich dotiertes Halbleitermaterial enthalten, kann man verschiedene elektronische Bauelemente zusammenbauen. So haben Yi Cui und Charles M. Lieber Dioden und Transistoren aus Siliziumnanodrähten hergestellt, die mit Bor oder Phosphor dotiert waren [13]. Später haben sie diese Bauelemente zu Schaltkreisen verknüpft, die einfache logische Operationen wie AND, OR, NOR und XOR ausführen konnten [14].

Nanonetzwerke
Einen Datenspeicher aus metallischen Nanodrähten und organischen Molekülen hat die Gruppe von J. Fraser Stoddart an der UC Los Angeles in Zusammenarbeit mit Hewlett-Packard entwickelt [15]. Die nur wenige Nanometer dicken Drähte sind in zwei aufeinander liegenden Schichten verlegt. Die Drähte der oberen Schicht liegen dabei quer zu denen der unteren Schicht. Am Kreuzungspunkt zwischen zwei Drähten befindet sich eine Monolage von Rotaxan-Molekülen, die durch elektrische Pulse zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her geschaltet werden können. Auf diese Weise lassen sich Daten mit einer Dichte von 6,4 Gbits/cm2 speichern.
 

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Abb. 5: Gut kontaktiert: ein Datenspeicher aus Nanodrähten [15]. (Quelle: Y. Chen, Hewlett-Packard Laboratories, Palo Alto)

Um möglichst dichte und regelmäßige Anordnungen von gekreuzten Nanodrähten herzustellen, hat die Gruppe von James R. Heath an der UC Los Angeles ein neues Verfahren entwickelt [16]. Dabei wird eine Schicht aus Halbleitermaterial durch Molekularstrahlepitaxie so vorstrukturiert, dass zahllose parallele Rillen in sie hineingeätzt werden können. Bedampft man die Schicht dann mit Platin, so bilden sich in den Rillen Nanodrähte, die dann nur noch herausgelöst werden müssen. Die parallelen Drähte sind 10 Nanometer dick und haben einen Abstand von 20 Nanometer. Legt man zwei Anordnungen gekreuzt übereinander, so kann man bis zu 1011 Kreuzungspunkte pro cm2 erhalten. Auf diese Weise könnte man schnell und preiswert extrem komplexe Nanoschaltkreise verdrahten.

In den winzigen Nanodrähten steckt offensichtlich ein enormes Potential. Die vielfältigen Möglichkeiten, die sie eröffnen, beginnt man aber gerade erst zu erahnen. 

Literatur

[1] Younan Xia et al., One-Dimensional Nanostructures: Synthesis, Characterization, and Applications, Advanced Materials 15, 353 (2003). (PDF)
[2] Michael P. Zach et al., Molybdenum Nanowires by Electrodeposition, Science 290, 2120 (2000).
[3] Erich C. Walter et al., "Beaded" Bimetallic Nanowires: Wiring Nanoparticles of Metal 1 Using Nanowires of Metal 2, Advanced Materials 15, 396 (2003). (PDF)
[4] Yiying Wu et al., Block-by-Block Growth of Single-Crystalline Si/SiGe Superlattice Nanowires, Nano Letters 2, 83 (2002). (PDF)
[5] M. T. Björk et al., One-dimensional Steeplechase for Electrons Realized, Nano Letters 2, 87 (2002). (PDF)
[6] Mark S. Gudiksen et al., Growth of nanowire superlattice structures for nanoscale photonics and electronics, Nature 415, 617 (2002).
[7] Lincoln J. Lauhon et al., Epitaxial core-shell and core-multishell nanowire heterostructures, Nature 420, 57 (2002).
[8] Kinneret Keren et al., Sequence-Specific Molecular Lithography on Single DNA Molecules, Science 297, 72 (2002).
[9] Nicolás Agraït et al., Quantum properties of atomic-sized conductors, Physics Reports 377, 81 (2003). http://arxiv.org/abs/cond-mat/0208239
[10] A. Tilke et al., Single-electron effects in highly doped polysilicon nanowires, Physica E 15, 60 (2002).
[11] Michael H. Huang et al., Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers, Science 292, 1897 (2001).
[12] Xiangfeng Duan et al., Single-nanowire electrically driven lasers, Nature 421, 241 (2003).
[13] Yi Cui und Charles M. Lieber, Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks, Science 291, 851 (2001).
[14] Yu Huang et al., Logic Gates and Computation from Assembled Nanowire Building Blocks, Science 294, 1313 (2001).
[15] Yong Chen et al., Nanoscale molecular-switch crossbar circuits, Nanotechnology 14, 462 (2003).
[16] Nicholas A. Melosh et al., Ultrahigh-Density Nanowire Lattices and Circuits, Science 300, 112 (2003).
[17] D. D. D. Ma et al., Small-Diameter Silicon Nanowire Surfaces, Science 299, 1874 (2003).

Einführungen

Nanowires Special Issue der Zeitschrift Advanced Materials:
Advanced Materials 15, 351-468 (2003) (Editorial, Inhalt)
http://www.wiley-vch.de/publish/en/journals/alphabeticIndex/2089/

Welt der Physik - Nanostrukturen:
http://www.weltderphysik.de/themen/stoffe/materialien/nanostrukturen/

Förderkonzept Nanoelektronik vom BMBF:
http://www.bmbf.de/pub/foerderkonzept_nanoelektronik.pdf

Franz Himpsels Nanowire-Seiten:
http://uw.physics.wisc.edu/~himpsel/wires.html

Forschungsgruppen

Paul Alivisatos Gruppe an der UC Berkeley:
http://www.cchem.berkeley.edu/~pagrp/

Dieter Bimbergs Gruppe an der TU Berlin:
http://sol.physik.tu-berlin.de/ehtm_lud/eindex.htm

Cees Dekkers Gruppe an der TU Delft:
http://www.mb.tn.tudelft.nl/user/dekker/index.html

Ulrich Göseles Gruppe am MPI in Halle:
http://www.mpi-halle.mpg.de/~goesele/

James Heaths Gruppe an der UC Los Angeles:
http://www.its.caltech.edu/~heathgrp/index.htm

Franz Himpsels Nanowire-Seiten:
http://uw.physics.wisc.edu/~himpsel/wires.html

Klaus Kerns Gruppe am MPI in Stuttgart:
http://www.mpi-stuttgart.mpg.de/kern/index.html

Jörg Kotthaus Gruppe an der Universität München:
http://www.nano.physik.uni-muenchen.de/

Charles M. Liebers Gruppe in Harvard:
http://cmliris.harvard.edu/

Das Nanometer Consortium in Lund:
http://www.nano.ftf.lth.se/index2.html

Hongkun Parks Gruppe in Harvard:
http://www.people.fas.harvard.edu/%7Ehpark/

Reginald M. Penners Gruppe an der UC Irvine:
http://chem.ps.uci.edu/~rmpenner/PennerGroup.html

Elke Scheers Gruppe an der Universität Konstanz:
http://www.uni-konstanz.de/FuF/Physik/Forschung/e-scheer.htm

J Fraser Stoddarts Gruppe an der UC Los Angeles:
http://www.chem.ucla.edu/dept/Faculty/stoddart/stoddart.htm

Younan Xias Gruppe an der University of Washington:
http://faculty.washington.edu/~yxia/

Peidong Yangs Gruppe in Berkeley:
http://www.cchem.berkeley.edu/%7Epdygrp/main.html

Allgemeine Informationen

The Nanotube Site:
http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.html

Nanotechweb:
http://nanotechweb.org/

EurekAlert Nanotechnology:
http://www.eurekalert.org/context.php?context=nano

Nanoforum.org:
http://www.nanoforum.org/

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