Nanodrähte aus Kohlenstoff – Widerstandsfähig und leitend

Elektronenmikroskopische Abbildung – Zwei sogenannte "Four Probe" Messstrukturen werden zur Bestimmung des Schichtwiderstandes des Kohlenstoffs eingesetzt / Bildquelle: HZDR

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 Nanobauelemente 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 Kohlenstoffschichten 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. Die Forscher wollten herausfinden, ob in diamantähnliche Schichten mit einem besonders fein gebündelten Ionenstrahl leitfähige Strukturen eingraviert werden können.

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 wurden in systematischen Untersuchungen besonders feine Strukturen wie beispielsweise Nanodrähte erzeugt und untersucht, welchen Einfluss die Ionenbestrahlung einerseits und die Geometrie andererseits auf den spezifischen Widerstand und damit auf die Leitfähigkeit haben. 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.

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. Die Anlage für den fokussierten Ionenstrahl ist ein ideales Tool für die Forschung, denn damit können flexibel, präzise und schnell Nanostrukturen erzeugt werden. Ein großer Vorteil ist auch, dass man ohne den Einsatz von Masken auskommt. Da man für viele Anwendungen leitfähige Nanodrähte benötigt, haben die Dresdner Forscher diese nicht nur auf unterschiedlichen Substraten hergestellt, sondern auch kontaktiert. Hierfür erzeugten sie mit dem fein gebündelten Ionenstrahl zwei Nanodrähte, die sie wie ein Kreuz übereinander legten (Van-der-Pauw-Struktur).

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.

Publikation: P. Philipp, L. Bischoff, U. Treske, B. Schmidt, J. Fiedler, R. Hübner, F. Klein, A. Koitsch, T. Mühl, „The origin of conductivity in ion-irradiated diamond-like carbon – Phase transformation and atomic ordering“, in: Carbon 80 (2014) 677-690, DOI: 10.1016/j.carbon.2014.09.012.

http://www.hzdr.de