Kohlenstoff-Nanoröhrchen
CNT-Sensoren zeigen ultraschnelle Reaktion
Wenn nichtelektrische Größen gemessen werden sollen, darf der Sensor nicht langsamer reagieren, als sich das zu überwachende Objekt ändert. Ein vielversprechender Kandidat zur Detektion von schnellen Änderungen sind neuartige gedruckte Sensoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Als das »Wundermaterial der Zukunft« wurden die Carbon Nano Tubes (CNT) kurz nach ihrer Entdeckung 1991 gepriesen ([1], [2]), was dann weltweit eine intensive Forschung in Gang setzte. Auf die Anfangseuphorie folgte wie so oft eine Ernüchterung, anschließend eine Stabilisierung und ein neuer, ruhigerer Aufschwung. Seitdem man jetzt Machbares von nicht Machbarem sehr viel besser unterscheiden kann als damals, gehen die Röhrchen nun in konkrete Anwendungen.
Die sind überaus vielfältig, vor allem dank den Möglichkeiten der gedruckten Elektronik. Da diese allgemein im Aufwind ist und bereits die verschiedensten Materialien für Leiter, Halbleiter und Isolatoren nutzt, kommen zu diesen jetzt auch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen dazu. Sie sind heute in unterschiedlichen Formen kommerziell verfügbar, unter anderem als Tinte, die sich auf ein Substrat drucken lässt, insbesondere auf flexible Folien aus unterschiedlichen Kunststoffen. Bei Großstückzahlen kann die Herstellung äußerst kostengünstig werden.
Die Schicht hat einen bestimmten elektrischen Widerstand, der sich bei geeignetem Aufbau durch äußere Einflüsse ändern kann. Chancen für den Bau von Sensoren auf dieser Basis hat die Firma Brewer Science (www.brewerscience.com) gesehen. Das in Rolla/Missouri (USA) ansässige und weltweit aktive Unternehmen liefert Produktionseinrichtungen und Chemikalien für die Elektronikfertigung, unter anderem Tinten für gedruckte Elektronik, seit einigen Jahren auch CNT-Tinten – umweltfreundlich auf Wasserbasis. Dank reichhaltiger Anwendungserfahrungen lag es nahe, darauf basierende Sensoren gleich selbst herzustellen. Die ersten damit erfassbaren Messgrößen sind Temperatur, Feuchte und mechanische Biegung. Dabei sind fast beliebige Formen und Baugrößen möglich, weitgehend an die jeweilige Anwendung anpassbar.
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Grundlage für den Sensoreffekt bei allen Typen ist der Leitungsmechanismus in der Schicht. Die aufgedruckten Röhrchen haben eine ungeordnete Struktur wie eine Art Filz (Bild 1). Die Schicht wird hier als langer Streifen aufgetragen; sie ist extrem dünn, nur wenige Röhrchen-Lagen. Der Widerstand längs durch ein einzelnes Röhrchen ist sehr klein.
Die Röhrchen sind aber alle sehr viel kürzer als der Abstand zwischen den beiden Anschlüssen. Was hier wirkt, sind die Übergangsstellen zwischen den einzelnen Röhrchen, an denen der Widerstand sehr viel größer ist. Der zugrunde liegende Mechanismus nennt sich »Variable Range Hopping« (VRH) oder »Variable Range Tunneling« (VRT). Nach klassisch-physikalischer Betrachtungsweise können die Elektronen die Potenzialbarriere zwischen zwei sich berührenden Röhrchen nicht überwinden. In der Quantenphysik geht das eben doch – über den Tunneleffekt. Wie viele Elektronen hier pro Zeiteinheit durchtunneln können, hängt von verschiedenen Parametern ab.
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