Für die Nanoelektronik sind kohlenstoffbasierte Nanostrukturen vielversprechende Materialien. Doch dafür müssten sie sich häufig auf nicht-metallischen Oberflächen bilden, was nur schwer möglich ist – bis jetzt: Wissenschaftler der FAU haben eine Methode gefunden, Nanographen auf Metalloxidoberflächen zu bilden. Ihre Ergebnisse, die im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 953 – Synthetic Carbon Allotropes der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) entstanden sind, haben sie in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Zweidimensional, biegsam, reißfest, leicht, vielseitig einsetzbar – all diese Eigenschaften treffen auf den Stoff Graphen zu, der oft auch als Wundermaterial bezeichnet wird. Darüber hinaus verfügt diese kohlenstoffbasierte Nanostruktur über einzigartige elektrische Eigenschaften, was sie für die Nanoelektronik interessant macht. Abhängig von der Größe und der Form kann Nanographen leitend oder halbleitend sein – eine elementare Voraussetzung für den Einsatz in Nanotransistoren. Dank der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit könnte es sowohl leitendes Kupfer als auch halbleitendes Silicium in zukünftigen Nanoprozessoren ersetzen.

Neu im Angebot: Nanographen auf Metalloxiden

Das Problem dabei: Um eine elektronische Schaltung herzustellen, müssen die Nanographen-Moleküle direkt auf einer isolierenden oder halbleitenden Oberfläche synthetisiert und zusammengebaut werden. Obwohl Metalloxide die besten Materialen dafür sind, im Gegensatz zu Metalloberflächen, ist die direkte Synthese von Nanographenen auf Metalloxidoberflächen jedoch nicht möglich, da sie chemisch weit weniger aktiv sind. Die Forscher müssten daher den Prozess bei einer hohen Temperatur durchführen, was zu vielen nicht-kontrollierbaren Nebenreaktionen führt. Wissenschaftler um Dr. Konstantin Amsharov vom Lehrstuhl für Organische Chemie II haben nun eine neue Methode entwickelt, um Nanographen auf nicht-metallischen Untergründen, also isolierenden Flächen oder Halbleitern, zu synthetisieren.

Die Bindung macht‘s

Hierbei machen sie sich die Kohlenstoff-Fluor-Bindung, die stärkste Kohlenstoffbindung, zu Nutze. Auf diese Weise wird ein mehrstufiger Prozess angestoßen: Dominoartig bilden sich die gewünschten Nanographene über Cyclodehydrofluorierung auf der Titanoxidoberfläche. Dabei entstehen nacheinander alle „fehlenden“ Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, was an einen Reißverschluss erinnert, der sich schließt. So ist es den Forschern möglich, Nanographene auf Titandioxid, einem Halbleiter, zu erzeugen. Mit dieser Methode können sie nun auch die Form des Nanographens festlegen, indem sie die Anordnung der Vorläufermoleküle verändern: Dort, wo sie die Fluor-Atome platzieren, bilden sich die neuen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und schließlich Nanographen. Die Forschungsergebnisse zeigen zum ersten Mal einen Weg, kohlenstoffbasierte Nanostrukturen durch direkte Oberflächensynthese auf technologisch relevanten halbleitenden oder isolierenden Flächen herzustellen. „Diese bahnbrechende Erkenntnis bietet einen effektiven und einfachen Zugang zu den wirklich funktionierenden elektronischen Nanoschaltungen, die die vorhandene Mikroelektronik auf die Ebene der Nanometerskala bringen könnten“, erläutert Dr. Amsharov.