Kohlenstoff kann Strom auf sehr unterschiedliche Weise leiten. Ein Forschungsteam hat nun zwei extrem schmale Kohlenstoffbänder hergestellt, deren Atome auf ähnliche, aber nicht identische Weise angeordnet sind. Eine Variante verhält sich metallisch, die andere wie ein Halbleiter. Die Ergebnisse erschienen am 28. Oktober in Nature.
Der Unterschied liegt in der Struktur der Bänder. Beide bestehen aus Kohlenstoffringen mit fünf und sieben Atomen. Bei der einen Variante sind die seitlichen Ketten gleich ausgerichtet, bei der anderen unterschiedlich. Diese kleine Änderung geht mit einem anderen elektronischen Verhalten einher.
Gleicher Stoff, andere Anordnung
Kohlenstoff ist ein vielseitiger Baustoff der Natur. Seine Atome können unterschiedliche Bindungsstrukturen bilden. Welche Eigenschaften ein Material zeigt, hängt deshalb nicht allein davon ab, welche Atome darin vorkommen, sondern auch davon, wie sie miteinander verbunden sind.
Die Forscher nennen ihre Bänder Kohlenstoff-Pentaheptit-Nanobänder. „Nano“ bezeichnet hier die sehr kleine Größenordnung; das Material ist als schmaler, flacher Streifen aufgebaut. In seiner Mitte verläuft eine Kette aus Siebenringen. An den Seiten liegen Ketten aus Fünfringen.
Die beiden untersuchten Varianten besitzen diese gemeinsame Grundform. Ihre seitlichen Ketten sind jedoch unterschiedlich angeordnet. Die als CPHN1 bezeichnete Variante ist nach den Messungen metallisch. CPHN2 besitzt dagegen eine schmale Bandlücke und verhält sich als Halbleiter.
Was die Bandlücke bedeutet
In einem Festkörper können Elektronen bestimmte Energiebereiche einnehmen. Diese Bereiche heißen Energiebänder. Eine Bandlücke ist ein Energiebereich dazwischen, in dem die betreffenden Zustände nicht verfügbar sind. Bei einem Halbleiter beeinflusst diese Lücke, unter welchen Bedingungen Ladungsträger zum Stromtransport beitragen können.
Für die metallische Variante berichten die Autoren einen besonders hohen Leitwert. Der Leitwert beschreibt, wie gut die untersuchte Struktur bei angelegter Spannung Strom durchlässt. Das ist eine Eigenschaft des gemessenen Bandes und nicht einfach eine allgemeine Materialzahl für beliebige Kohlenstoffstücke.
Der gemessene Leitwert näherte sich laut Studie einem Leitwertquantum und war mit dem metallischer Kohlenstoffnanoröhren vergleichbar. Das Team bezeichnet den Transport als nahezu ballistisch. Damit ist gemeint, dass die Ladungsträger auf der untersuchten Strecke nur wenig gestreut werden. Die Aussage bezieht sich auf das Experiment und seine Bedingungen.
Wie die Bänder entstanden
Die Herstellung erfolgte schrittweise auf einer Oberfläche. Zunächst entstanden aus vorbereiteten Ausgangsketten andere Kohlenstoffketten; anschließend verband das Team passend ausgerichtete Ketten seitlich zu flachen Bändern. So erhielten die Forscher die zwei Varianten, deren atomare Anordnung sie untersuchten.
Die Arbeit ist ein Beispiel dafür, wie sich eine gewünschte Eigenschaft über den Aufbau eines Materials beeinflussen lässt. Metallisch leitende Kohlenstoffbänder könnten langfristig als winzige Verbindungen oder Elektroden in kohlenstoffbasierter Elektronik interessant werden. Halbleitende Strukturen erfüllen dort eine andere Aufgabe als Leiter.
Die Studie beschreibt dafür einen möglichen Weg, noch kein fertiges elektronisches Bauteil. Für eine Integration in Geräte muss die Synthese nach Einschätzung der Autoren weiter optimiert werden. Der konkrete Fortschritt liegt zunächst darin, die beiden Bandstrukturen hergestellt und ihr unterschiedliches Verhalten untersucht zu haben.
Quellen
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