Fortschritte auf dem Weg zu Produkten Sensorik mit Nanoröhrchen

Schon oft wurden die „Carbon Nanotubes“ (CNT) als das Wundermaterial der Zukunft bezeichnet. Wenn sich auch die Anfangseuphorie mittlerweile etwas gelegt hat, so schreitet die Weiterentwicklung dennoch zügig voran. Von den zahllosen technischen Hürden wird eine nach der anderen überwunden.

In Deutschland läuft die Forschung und Entwicklung von CNTs unter anderem an der TU München am Lehrstuhl für Nanotechnologie, geleitet von Prof. Dr. Paolo Lugli [1]. Eine wesentliche, hier erfundene Neuerung ist die Herstellung von nanometerdünnen Schichten mittels Sprühtechnik (Bild 1). Damit lassen sich große Flächen mit sehr hoher Gleichmäßigkeit beschichten. Das ist deutlich kostengünstiger und auch schneller als mit herkömmlichen Verfahren wie Sputtern oder Epitaxie, weil dafür kein teurer Reinraum nötig ist. Dabei sind verschiedene Substratmaterialien verwendbar. Am vielversprechendsten sind hier flexible Kunststofffolien.

Was sich unter allen denkbaren Anwendungen der Kohlenstoff-Nanoröhrchen am schnellsten in konkrete Produkte umsetzen lässt, sind transparente leitfähige Schichten. Vor allem in Displays und Solarzellen werden sie gebraucht. Das bisher hier vorherrschende Material Indium-Zinn-Oxid (ITO) hat einige Nachteile: Erstens ist es spröde, es eignet sich nicht für flexible Substrate. Bei Biegung bekommt es Mikrorisse und die Leitfähigkeit verschlechtert sich. Zweitens ist Indium auf der Welt ein knappes Metall, die Vorkommen liegen großenteils in China. Die Preise sind in den letzten Jahren stark auf- und abgegangen, die zukünftige Entwicklung ist ungewiss. Davon loszukommen wäre vorteilhaft. CNT-Schichten sind elastisch und machen Biegungen des Substrats problemlos mit. Und Kohlenstoff hat die Erde bekanntlich genug. Die Röhrchen - vorzugsweise einlagige - lassen sich in Form einer Tinte aufsprühen und bilden sich dann mit einer filzartigen Struktur aus. Die Schichtdicke, in der Praxis einige zehn Nanometer, bestimmt den Flächenwiderstand (typisch 200 ? oder weniger) und Transparenz (typisch 80 Prozent oder mehr).

Eine aussichtsreiche Verwendungsmöglichkeit sind zum Beispiel organische Fotodioden aus Polymer-Halbleitern (P3HT und PEDOT:PSS). Die bisherigen Ausführungen [2] verwenden ITO-Elektroden und sind damit nur auf Glassubstraten herstellbar (Bild 2). Dagegen erlaubt der Einsatz von CNTs auch flexible Substrate wie PET-Folie. Dadurch werden die fertigen Produkte sehr viel leichter und bruchsicherer. Bezüglich Kenndaten sind sie durchaus wettbewerbsfähig mit den anorganischen Standard-Halbleitern, allenfalls die Dunkelströme sind höher, etwa 0,1 µA/cm². Als Prozessausbeute werden über 90 Prozent angegeben, als externer Quantenwirkungsgrad 65 Prozent. Die Fertigung verspricht gute Reproduzierbarkeit. In Verbindung mit einer Schicht aus einem Szintillator-Kristall, der Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umsetzt, lassen sich großflächige Röntgen-Bildaufnehmer sehr viel kostengünstiger aufbauen als in konventioneller Technik (Projekt "LORIX" [3]).