Nanobuisjes van koolstof gelden door hun eigenschappen als belangrijkste kandidaat om micro-elektronische componenten verder te miniaturiseren en het gebruik van de silicium in de toekomst te terug te dringen. Voor technologische toepassing zijn er echter nog een aantal ongunstige materiaaleigenschappen zoals het samenkleven van de buisjes. Wetenschappers van de TU Dresden en het Fortscungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) demonstreerden de superioriteit van nanodraden van molybdeensulfide in een experiment en een simulatie.
Sinds de ontdekking van koolstof nanobuisjes in 1991 werken wetenschappers er intensief aan om nanobuisjes voor een verscheidenheid van technologieën in te zetten. Men hoopt onder meer op transistoren en geheugens van koolstof nanobuisjes. De buisjes van slechts enkele miljoenste millimeters kunnen echter ook in de medische wereld of in de nieuwe beeldscherm generatie worden gebruikt.
Maar daarbij zijn nog een aantal hinderlijke eigenschappen te overwinnen. De productie van de elektronische of structureel zuivere nanobuisjes lukt alleen met uiterst kostbare hulpmiddelen. De buisjes zijn zwak gebonden en verkleven tot bundels. Ook zijn elektrische contacten moeilijk aan te leggen, wat het gebruik in de micro-elektronica bemoeilijkt. Prototypes voor verschillende toepassingen zijn wereldwijd al in laboratoria gemaakt, maar voor de markt spelen koolstof nanobuisjes op dit moment nauwelijks een rol.
Smeermiddel als uitgangsmateriaal
Het onderzoeksteam van genoemde onderzoeksinstellingen is al jaren geïnteresseerd in molybdeensulfide (MoS), dat in de industrie veel wordt gebruikt als smeermiddel of bijmenging in katalysatoren. Voor deze stof geldt, dat de eigenschappen beduidend meer variëren met de deeltjesgrootte en -vorm dan bij andere materialen.
In samenwerking met Universiteit van Aarhus (Denemarken) lukte de productie en de volledige experimentele en theoretische karakterisering van MoS-draden, die uitstekende voordelen zouden kunnen opleveren. Als draad zijn ze stabiel, ze verkleven niet gemakkelijk zoals koolstof, ze hebben goede elektronische transporteigenschappen en ze zijn relatief eenvoudig om te vormen tot halfgeleider wanneer men ze tordeert.
Nanodraden van molybdeensulfide. De linker afbeelding toont een vergelijking tussen de gemeten en berekende elektronenverdeling voor een drie-polige draad (boven: experimenteel STM-beeld, onder: berekende DFT-elektronendichtheid). De rechter afbeelding toont schematisch het verdraaien van een aparte draad, waardoor de draad zijn elektrische geleiding verliest.
Bandbreedte
Elk halfgeleidermateriaal heeft een typische bandbreedte die verantwoordelijk is voor de concrete elektronische en optische eigenschappen. Bij MoS-draden is het interessant, dat deze bandbreedte lineair stijgt met de toename van de hoekverdraaiing, waardoor een toepassing als nanoschakelaar dichtbij ligt. Bovendien is de eenvoudige contactverbinding van MoS- draden met goudelektroden opvallend, vooral omdat het contact bijzonder sterk is. Een gering aantal zwavelatomen verankert de draad aan het goud terwijl de stroomloop directe door het centrale goud- molybdeen kanaal plaatsvindt.
De wetenschappers hadden niet gerekend op deze eigenschappen van de molybdeensulfidedraden. Berekeningen tonen dat veel van de nadelen die met koolstof nanobuisjes ontstaan niet te verwachten zijn. Daar komt nog bij dat ze alle voordelen van koolstof nanobuisjes hebben. De nieuwe nanodraden hebben daarom een duidelijk potentieel voor toekomstige elektronische componenten. De volgende stap is het bouwen van nano-elektronische schakelingen.
Behalve draden uit zuiver molybdeensulfide onderzochten de wetenschappers ook draden waar van de eigenschappen door toevoeging van een ander element werden gemodificeerd. Ook deze verbindingen toonden veelbelovende eigenschappen, zowel in berekeningen als bij experimenten.
