Algemeen

Nanodraden van koolstof

Nanodraden van koolstof HZDR
Afbeelding van een elektronenmicroscoop: twee zogenaamde 'Four Probe' meetstructuren worden gebruikt voor de bepaling van de weerstand van de laag koolstof (foto: HZDR) HZDR

Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) zijn er samen met partners uit Dresden (D) voor het eerst in geslaagd om voor nanocomponenten van koolstof de elektrische weerstand simpel en gericht aan te passen. Hiervoor gebruikten zij fijn geconcentreerde ionen stralen.

Dunne lagen van koolstof zijn zeer interessant voor technische toepassingen zoals micromechanica en -elektronica. Afhankelijk van de binding van de buitenste elektronen bestaat er of een overeenkomst met grafiet of met diamant. Het zachte grafiet is geleidend terwijl de diamantvormige samenstelling met zeer hoge weerstand lijkt op een isolator.

Koolstof nanomaterialen hebben unieke eigenschappen, die ze geschikt maken voor veel technologische gebieden. De mechanische, optische en elektrische eigenschappen van de dunne koolstoflagen verschillen echter sterk, afhankelijk van de chemische binding. Bij een diamantvorm is het zeer stabiele materiaal bestand tegen hoge stromen, spanningen en temperaturen.

Geleidende structuren graveren

Als isolator was dit materiaal echter voor veel gebieden niet interessant. “We willen er achter komen, of we in de diamantvormige lagen met zeer fijn gebundelde ionenstralen geleidende structuren kunnen ingraveren”, aldus de natuurkundige dr. Peter Philipp over het geformuleerde thema voor zijn proefschrift bij het Dresdner Helmholtz-Zentrum.

In het ionenstralencentrum van het HZDR is het mogelijk om ionen in een straal van slechts 10 nm te bundelen, zelfs met totaal verschillende ionen soorten. “Met deze zeer smalle bundel hebben we tijdens systematisch onderzoek zeer fijne structuren – zoals nanodraden – verkregen en onderzocht, welke invloed de ionenbestraling aan de ene zijde en de geometrie aan de andere zijde van invloed zijn op de specifieke weerstand en daarmee op de geleiding”, aldus dr. Philipp.

Hij werd hierbij ondersteund door collega’s van het HZDR, het Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden en het Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik (IOF) van de TU Dresden. Het werd de wetenschappers duidelijk, dat ze met de tijdsduur van de ionenbehandeling de weerstand over een zeer breed gebied reproduceerbaar kunnen instellen.

Verhitten versterkt het effect

Als weinig ionen op de koolstoflaag terechtkomen, dan wordt ter plaatste de diamantstructuur omgevormd in een grafiet samenstelling. Atomaire omvormingsprocessen spelen daarbij een belangrijke rol. Als men het proefstuk tijdens het beschieten nog extra verwarmd, dan versterkt dit het effect. Onderzoekers konden bovendien voor het eerst aantonen, dat zware ionen zoals goud of bismut ten opzichte van lichtere ionen van silicium of germanium, een in vergelijking hogere geleiding opleverden. Dat heeft onder andere te maken met de enorme energie input van de zware ionen.

“Onze installatie voor het focussen van de ionenstraal vormt een ideaal gereedschap voor het onderzoek, omdat we daarmee flexibel, nauwkeurig en snel nano structuren kunnen opwekken. Een ander groot voordeel is ook het feit dat we zonder maskers kunnen werken”, benadrukt dr. Philipp.

Omdat men voor veel toepassingen geleidende nanodraden nodig heeft hebben de onderzoekers uit Dresden deze niet alleen op verschillende substraten aangemaakt, maar ook gekoppeld. Hiervoor maakten ze met de fijn gebundelde ionenstraal twee nanodraden, die ze als een kruis over elkaar plaatsten (Van-der-Pauw-Structuur). De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het vaktijdschrift Carbon.

De werkzaamheden werden in een gezamenlijk DFG-project ‘Strukturbildende Prozesse in amorphen Kohlenstoffschichten’ uitgevoerd door HZDR, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden en het Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik (IOF) van de Technische Universität Dresden.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven