Entwicklung eines neuartigen Atompräzisions-Graphen-Nanoband-Heteroübergangssensors

Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung der Universität zu Köln ist es erstmals gelungen, mehrere atomare Präzisionsnanobänder aus Graphen, einer Modifikation von Kohlenstoff, zu komplexen Strukturen zu verbinden. Wissenschaftler synthetisierten und charakterisierten durch Spektroskopie von Nanoband-Heteroübergängen. Sie konnten dann die Heteroübergänge in eine elektronische Komponente integrieren. Auf diese Weise haben sie einen neuen Sensor geschaffen, der sehr empfindlich gegenüber Atomen und Molekülen ist. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden unter dem Titel „Tunnelstrommodulation in atomgenau präzisen Graphen-Nanoband-Heteroübergängen“ in veröffentlicht Naturkommunikation. Die Arbeiten wurden in enger Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Experimentalphysik und dem Fachbereich Chemie der Universität zu Köln sowie mit Forschungsgruppen aus Montreal, Nowosibirsk, Hiroshima und Berkeley durchgeführt. Es wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert.

Die Heteroübergänge von Graphen-Nanobändern sind nur einen Nanometer – einen Millionstel Millimeter – breit. Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen und gilt als das dünnste Material der Welt. 2010 gelang es Forschern in Manchester erstmals, Einzelatom-Graphenschichten herzustellen, für die sie den Nobelpreis erhielten. „Die zur Herstellung des Sensors verwendeten Graphen-Nanoband-Heteroübergänge sind jeweils sieben und vierzehn Kohlenstoffatome breit und etwa 50 Nanometer lang. Das Besondere an ihnen ist, dass ihre Kanten frei von Fehlern sind. Aus diesem Grund werden sie als „atompräzise“ Nanobänder bezeichnet “, erklärte Dr. Boris Senkovskiy vom Institut für Experimentalphysik. Die Forscher verbanden mehrere dieser Nanoband-Heteroübergänge an ihren kurzen Enden und schufen komplexere Heterostrukturen, die als Tunnelbarrieren fungieren.

Heterostrukturen wurden unter Verwendung von Photoemission mit Winkelauflösung, optischer Spektroskopie und Tunnelmikroskopie untersucht. Im nächsten Schritt wurden die erzeugten Heterostrukturen in ein elektronisches Gerät integriert. Der durch die Nanoband-Heterostruktur fließende elektrische Strom wird durch den Tunneleffekt der Quantenmechanik bestimmt. Dies bedeutet, dass Elektronen unter bestimmten Bedingungen vorhandene Energiebarrieren in „Tunnel“ -Atomen überwinden können, so dass dann ein Strom fließt, obwohl die Barriere größer ist als die verfügbare Energie des Elektrons.

Forscher haben einen neuen Sensor für die Adsorption von Atomen und Molekülen der Nanoband-Heterostruktur gebaut. Der Tunnelstrom durch die Heterostruktur ist besonders empfindlich gegenüber Adsorbaten, die sich auf Oberflächen ansammeln. Mit anderen Worten, die Stärke des Stroms ändert sich, wenn sich Atome oder Moleküle, beispielsweise in Gasen, auf der Oberfläche des Sensors ansammeln. „Der von uns gebaute Prototypsensor hat hervorragende Eigenschaften. Es ist unter anderem besonders empfindlich und kann zur Messung kleinster Mengen an Adsorbaten verwendet werden “, sagte Professor Alexander Grüneis, Leiter einer Forschungsgruppe am Institut für Experimentalphysik.

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