31.03.2022
Leitfähige Superkristalle für elektrotechnische Anwendungen der nächsten Generation
Heute kann man einen ganzen Computer in der Tasche tragen, weil die technologischen Bausteine seit den 1950er Jahren immer kleiner geworden sind. Aber um künftige Generationen von Elektronik zu schaffen, braucht es völlig neue Technologien in kleinstem Maßstab.
In einer neuen Studie stellt ein internationales Forschungskonsortium einen Durchbruch bei der Herstellung elektrisch leitfähiger Nanokristalle vor. Die am 25. März in der renommierten Fachzeitschrift "Science" veröffentlichten Forschungsergebnisse könnten die Türen zu Schaltungen, Displays oder Solarzellen der nächsten Generation öffnen.
Wenn man früher Nanokristalle zu Überstrukturen zusammensetzte, wuchsen sie mit langen "Haaren" um sie herum (siehe linkes Bild, aufgenommen mit einem Elektronenmikroskop). Mit der neuen Technik werden die Haare um die einzelnen Nanokristalle reduziert (rechtes Bild), um sie dichter zu verpacken und die elektronische Kommunikation zu verbessern.
Nanokristalle gehören zu den vielversprechendsten Bausteinen künftiger Technologien, wie etwa leistungsfähigere Telefone, effizientere Solarzellen oder sogar Quantencomputer. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können Nanokristalle aus vielen verschiedenen Materialien züchten: aus Metallen, Halbleitern und Magneten, wobei jedes Material unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Außerdem können sich diese winzigen Kristalle zu hoch geordneten, facettenreichen und schönen Superkristallen zusammensetzen. Das Problem ist jedoch, dass immer dann, wenn Wissenschaftler versuchen, die Nanokristalle zu geeigneten Überstrukturen zusammenzusetzen, diese neuen Superkristalle lange "Haare" haben: langkettige organische Moleküle. Diese organischen Liganden erschweren es den Elektronen, von einem Nanokristall zum anderen zu springen, was die Superstrukturen für die meisten Anwendungen in der Elektronik und Sensorik unbrauchbar macht. Daher suchte man eine Methode, um die "Haare" um die einzelnen Nanokristalle zu kürzen, so dass sie diese dichter zusammenpacken und die Lücken dazwischen verringern konnten.
Im Jahr 2015 tauchte eine neue Gruppe von anorganischen Liganden auf, die für Stabilität sorgten und die elektrische Leitfähigkeit der Nanokristalle aufrechterhielten. "Damals dachte ich mir sofort, dass diese neuen Liganden die beste Chance sein könnten, die Lücke zwischen den Superstrukturen und ihrer Nutzung für elektrische Anwendungen endlich zu schließen", erinnert sich Danny Haubold, damaliger Doktorand in der Physikalischen Chemie an der TU Dresden. Die Selbstorganisation von ladungsstabilisierten Nanopartikeln ist eine große Herausforderung. Alles muss fein abgestimmt sein, um die gewünschten Superkristalle zu erhalten. Deshalb begannen er und Prof. Alexander Eychmüller mit der Gruppe von Dmitri Talapin an der Universität von Chicago zusammenzuarbeiten, die diese neuen Liganden entwickelte. Gemeinsam führten sie die ersten Experimente durch und erzielten bemerkenswerte Ergebnisse, die zeigten, dass das Problem zwar schwierig, aber lösbar war.
"Nach sechs Jahren intensiver Forschung und Zusammenarbeit zwischen mehreren Institutionen konnten wir zeigen, dass auf diesem Weg ein sehr breites Spektrum von Materialien und Größen zu hoch geordneten, aber auch hoch leitfähigen Superkristallen zusammengefügt werden kann. Dies öffnet die Türen zu einer neuen Klasse von Materialien. Die vielversprechenden Ergebnisse der ersten Versuche wurden erfolgreich auf eine breite Palette von Materialien wie Gold, Platin, Nickel, Bleisulfid und Bleiselenid übertragen. Mit Hilfe von Röntgenklein- und -weitwinkelstreuung und starker theoretischer Unterstützung wurden die Übergitterstrukturen charakterisiert und bilden die Grundlage für eine eingehende Analyse und Manipulation ihres Bildungsmechanismus", erklärt Prof. Alexander Eychmüller.
An der Studie waren Teams der University of Chicago, der Technischen Universität Dresden, der Northwestern University, der Arizona State University, des Stanford Linear Accelerator Centers, des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley beteiligt.
Original Publikation:
Coropceanu I, Janke EM, Portner J, Haubold D, Nguyen TD, Das A, Tanner CPN, Utterback JK, Teitelbaum SW, Hudson MH, Sarma NA, Hinkle AM, Tassone CJ, Eychmüller A, Limmer DT, Olvera de la Cruz M, Ginsberg NS, Talapin DV. Self-assembly of nanocrystals into strongly electronically coupled all-inorganic supercrystals. Science. 2022 Mar 25;375(6587):1422-1426. DOI: 10.1126/science.abm6753