Graphensubstrat verbessert die Leitfähigkeit eines Kohlenstoffnanoröhrchen-Netzwerks

15.10.2019

Wissenschaftler der Aalto-Universität in Finnland und der Universität Wien haben Graphen und einwandige Kohlenstoffnanoröhrchen zu einem transparenten Hybridmaterial kombiniert, dessen Leitfähigkeit höher ist als die der einzelnen Komponenten.

Transparente, leitfähige Filme haben viele Anwendungen, beispielsweise in Berührungssensoren, organischen Leuchtdioden oder Solarzellen. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die mechanische Stabilität und die Energieeffizienz bei Verwendung modernster Technologien, rücken kohlenstoffbasierte Materialien in zunehmenden Fokus in der Anwendung solcher transparenter, leitfähiger Filme. Dies gilt insbesondere für Netzwerke aus reinsten Kohlenstoffnanoröhrchen, die aktuell genutzte Metalloxidfilme ersetzen sollen.

Graphen ist das dünnste vorstellbare Material. Es besteht nur aus einer atomaren Schicht von Kohlenstoffatomen. Das Aufrollen in einen Zylinder ergibt eine Kohlenstoffnanoröhre mit verbessertem Ladungstransport in praktischen Anwendungen. In einem in der Fachzeitschrift "ACS Nano" veröffentlichten Artikel stellen die Wissenschaftler der Aalto-Universität und der Universität Wien ein Kohlenstoff-Nanoröhren-Graphen-Hybrid vor, das die Leitfähigkeit des Films über ein weites Maß hinaus verbessert, als das bei der getrennten Verwendung jeder dieser Komponentenstrukturen möglich ist.

Die Gruppe von Professor Kauppinen in Aalto verfügt über langjährige Erfahrung in der Gasphasensynthese von Kohlenstoffnanoröhren für Dünnschichtanwendungen. Jetzt haben sie diese Technologie angewendet, um dicht gepackte und saubere Nanoröhrchen-Netzwerke auf Graphen zu platzieren. "Es ist nur eine weitere Anwendung der Technologien, die wir in den letzten Jahrzehnten entwickelt haben. Es geht darum, wie die beiden Materialien ohne Lösungsmittel zusammengefügt werden", erklärt Kauppinen. In der Studie verwendeten die Wissenschaftler das Thermophorese-Verfahren, um gasphasensynthetisierte Nanoröhren direkt auf vorgefertigten Graphenelektroden abzuscheiden. Die Hybridfilme zeigten eine etwa doppelt so hohe Leitfähigkeit wie unter Verwendung eines Ersatzschaltbilds vorhergesagt.

Das Team der Universität Wien wird von Jani Kotakoski geleitet. Die in Wien durchgeführten Experimente zeigen, dass die starke Van-der-Waals-Wechselwirkung mit Graphen den Ladungstunnel zwischen den Röhrenelementen verstärkt. Das Team macht atomar aufgelöste Beobachtungen in einem Raster-Transmissionselektronenmikroskop. Diese zeigen, dass die Wechselwirkung zwischen Graphen und SWCNTs stark genug ist, um die kreisförmigen SWCNT-Bündel in flache Bänder zu kollabieren.

Der leitender Wissenschaftler des Projektes der Wiener Gruppe, Kimmo Mustonen, erklärt: "Das ist wirklich ein genialer Ansatz. Der Ladungstransport in Nanomaterialien ist sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Was man wirklich will, ist unnötige Verarbeitungsschritte zu vermeiden, wenn man den idealen leitfähigen Film herstellen möchte." Mustonen fügt hinzu: "Das ist wirklich bemerkenswert. Wir wussten natürlich, dass die Interaktion ziemlich stark ist. Denken Sie zum Beispiel an Graphit; es ist nur eine große Anzahl von Graphenschichten, die durch denselben Mechanismus miteinander verbunden sind. Wir hatten jedoch nicht erwartet, dass sich dies so stark auf die Leitfähigkeit auswirkt."

Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse zur Verbesserung der Leitfähigkeit ähnlicher Hybridnanomaterialien. Der Artikel wurde im September 2019 in "ACS Nano" veröffentlicht.

Forschungsartikel: Yongping Liao, Kimmo Mustonen, Semir Tulić, Viera Skákalová, Sabbir A. Khan, Patrik Laiho, Qiang Zhang, Changfeng Li, Mohammad R. A. Monazam, Jani Kotakoski, Harri Lipsanen, Esko I. Kauppinen: Enhanced Tunneling in a Hybrid of Single-Walled Carbon Nanotubes and Graphene. ACS Nano 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b05049

Raster-Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme einwandiger Kohlenstoffnanoröhren auf Graphen. Aufgrund der starken Van-der-Waals-Wechselwirkung ist das Bündel zu einem breiten Band kollabiert. © Kimmo Mustonen, Universität Wien