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News: Halbleiter-Nanospiralen

Manchmal bedarf es einfach nur der richtigen Schablone oder des richtigen Gerüsts, um eine Nanostruktur zu erzeugen. So fanden Wissenschaftler nun heraus, dass sich Bänder aus bestimmten organischen Molekülen von selbst aufzwirbeln und so eine gute Grundlage für Nanospiralen aus einem Halbleitermaterial darstellen.
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Nanostrukturierte anorganische Materialien sind vor allem wegen ihrer besonderen optischen und elektronischen Eigenschaften interessant. Als Ausgangspunkt für ihre Synthese eignen sich "Matrizen" aus organischen Molekülen, die sich in einem Selbstorganisationsprozess zu übergeordneten Nanostrukturen anordnen und so Form und Größe der anorganischen Strukturen bestimmen. Forscher von der Northwestern University in Evanston haben nun das Potenzial dieser Methode eindrucksvoll belegt, indem sie Halbleiter-Nanospiralen aus Cadmiumsulfid herstellten.

Samuel Stupp, Eli Sone und Eugene Zubarev synthetisierten das Cadmiumsulfid in Gegenwart organischer Strukturen, die in der Form spiralig gewundener Bänder vorlagen – und erhielten Cadmiumsulfid-Spiralen. Elektronenmikroskopische Aufnahmen lassen den Schluss zu, dass die Strukturen entstehen, indem sich winzige Cadmiumsulfid-Körnchen an das organische Gerüst anlagern und nach und nach zusammenwachsen. "Dabei lagern sich die Nanokristalle offenbar bevorzugt auf nur einer Seite des organisches Bandes an," berichtet Stupp. Auf diese Weise entsteht eine Cadmiumsulfid-Spirale, die wie eine Telefonschnur gewunden ist.

Als Bausteine für ihre Matrizen wählten die Forscher stabförmige organische Moleküle, die jeweils aus einem wasserfreundlichen – hydrophilen – "Kopf", einem aus aromatischen Ringen aufgebauten Mittelteil und einem wasserabweisenden – hydrophoben – "Schwanz" bestanden. Durch die Anziehungskräfte zwischen den Köpfen und den Mittelteilen der Stäbchen ordnen sie sich parallel zueinander an, sodass bandartige Strukturen entstehen.

In einigen Lösungsmitteln sind diese Bänder flach. Aber in anderen Lösungsmitteln winden sich die Bänder zu helikalen Gebilden. Im Prinzip gibt es zwei Möglichkeiten, wie sich ein Band aufwinden kann: Rollt es sich korkenzieherförmig, entsteht eine Spirale analog einem Telefonkabel. Alternativ kann das Band auch zusätzlich noch in sich verdreht sein. Eine solche Struktur entsteht zum Beispiel, wenn man ein Band an einem Ende festhält und das andere Ende zwischen den Fingern zwirbelt. In diesem Fall bildet das Band keine Schlaufen, sondern dreht sich lediglich um seine eigene Achse. Die organischen Molekül-Bänder gehörten jener zweiten Kategorie an.

Die Cadmiumsulfid-"Korkenzieher", die durch Aufwachsen von Kristallen auf nur einer Seite des gezwirbelten organischen Bandes entstehen, haben – wie aus geometrischen Gründen erwartet – einen doppelt so großen Abstand zwischen zwei Windungen wie das Band.

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