Nach 30 Jahren gelingt der Durchbruch: Kohlenstoffband leitet Strom wie Metall

Computerchips werden immer kleiner. Doch je enger ihre Bauteile zusammenrücken, desto schwieriger wird es, sie mit winzigen elektrischen Leitungen zu verbinden. Chinesischen Wissenschaftlern ist nun ein bemerkenswerter Fortschritt gelungen: Ein Kohlenstoffband leitet Strom wie Metall, obwohl es nur 0,9 Nanometer breit ist. Selbst über eine Strecke von vier Nanometern blieb seine Leitfähigkeit nahezu unverändert. Damit bestätigt sich eine Vorhersage aus dem Jahr 1996, die fast 30 Jahre lang auf ihren experimentellen Nachweis warten musste.

Das Forschungsteam der University of Science and Technology of China (USTC) erreichte dies durch eine ungewöhnliche Anordnung der Kohlenstoffatome. Während sie in Graphen ein Netz aus Sechsecken bilden, besteht das neue Material ausschließlich aus Fünf- und Siebenecken. Diese veränderte Struktur ermöglicht einen nahezu ungehinderten Elektronentransport über kurze Strecken. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachjournal Nature. Langfristig könnten solche Kohlenstoffbänder als extrem dünne elektrische Verbindungen in Computerchips zum Einsatz kommen.

Warum Kohlenstoff Strom leiten oder isolieren kann

Diamanten sind hart und elektrisch isolierend, während Graphit Strom leitet. Beide bestehen aus Kohlenstoff. Den Unterschied macht die Verbindung der Atome. Im Diamanten bilden sie ein dreidimensionales Netzwerk, im Graphit liegen sie in Schichten übereinander. Innerhalb dieser Schichten können sich Elektronen vergleichsweise leicht bewegen.

Die neu entwickelten Kohlenstoffbänder gehören zu einer Materialklasse namens Pentaheptit. Ihre Atome halten durch feste chemische Bindungen zusammen. Gleichzeitig besitzt eine der hergestellten Varianten Eigenschaften eines Metalls. Deshalb bezeichnen Fachleute solche Materialien als „kovalente Metalle“.

Bereits 1996 sagten Wissenschaftler theoretisch voraus, dass Kohlenstoff auch dann metallisch leitfähig sein könnte, wenn seine Atome ausschließlich Fünf- und Siebenecke bilden. Doch fast 30 Jahre lang gelang es nicht, solche Strukturen als schmale Nanobänder mit präzise angeordneten Atomen herzustellen und ihre metallischen Eigenschaften nachzuweisen. Das größte Hindernis waren die benötigten molekularen Bausteine: Sie reagierten so leicht mit anderen Stoffen, dass sich daraus kaum stabile Ketten aufbauen ließen.

Wie aus einzelnen Molekülen ein leitfähiges Kohlenstoffband entsteht

Das Team um die Professoren Bing Wang und Qitang Fan musste zunächst ein Problem lösen: Die ursprünglich vorgesehenen Moleküle mit verbundenen Fünfecken waren zu reaktionsfreudig. Sie eigneten sich deshalb kaum als stabile Ausgangsstoffe für die Herstellung längerer Atomketten.

Die Wissenschaftler entwickelten stattdessen ein Verfahren mit mehreren Heizschritten auf einer Silberoberfläche:

Moleküle verbinden: Zunächst verknüpften sie stabile Ausgangsmoleküle mit achteckigen Kohlenstoffringen zu längeren Ketten.
Atomringe verändern: Beim Erhitzen ordneten sich die Kohlenstoffatome um. Aus den achteckigen Strukturen entstanden miteinander verbundene Fünfecke.
Ketten verschmelzen: Bei höheren Temperaturen verbanden sich benachbarte Ketten seitlich. Dabei entstanden die Siebenecke, die das fertige Nanoband vervollständigten.

Mit hochauflösenden Mikroskopen konnten die Wissenschaftler anschließend die einzelnen Kohlenstoffringe erkennen und ihre Anordnung überprüfen.

© USTC Aus einzelnen Molekülen entsteht Schritt für Schritt ein neuartiges Kohlenstoffband: Durch gezieltes Erhitzen verbinden sich die Atomketten zu einer Struktur, die elektrischen Strom wie ein Metall leiten kann. © USTC

Kleine Unterschiede verändern die Leitfähigkeit erheblich

Bei der Herstellung entstanden zwei Varianten mit den Bezeichnungen CPHN1 und CPHN2. Ihre Atomketten unterscheiden sich in der Ausrichtung. Das hat erhebliche Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften: CPHN1 verhält sich wie ein Metall, CPHN2 dagegen wie ein Halbleiter.

Bei der zweiten Variante liegt eine sogenannte Bandlücke von etwa 0,22 Elektronenvolt vor. Sie beschreibt einen Energiebereich, in dem keine erlaubten elektronischen Zustände vorhanden sind. Deshalb fließt bei geringer Spannung deutlich weniger Strom. Obwohl beide Materialien aus denselben Atomen und Ringtypen bestehen, unterscheiden sie sich bei der Leitfähigkeit um etwa den Faktor 100.

Strommessung erreicht 90 Prozent des theoretischen Grenzwerts

Für die elektrischen Messungen verwendeten die Wissenschaftler ein Rastertunnelmikroskop. Dessen feine Spitze griff ein Ende des Kohlenstoffbands und hob es von der Silberoberfläche ab. Dadurch entstand zwischen Spitze und Untergrund eine winzige Stromverbindung. Die Messungen erfolgten bei niedrigen Temperaturen und zehn Millivolt Spannung.

Die Ergebnisse unterschieden sich erheblich:

Metallisches Kohlenstoffband: CPHN1 erreichte einen Leitwert von bis zu 90 Prozent eines Leitwertquantums. Das ist die grundlegende Einheit für die Leitfähigkeit eines idealen elektronischen Transportkanals.
Kaum Veränderung beim Anheben: Über rund vier Nanometer blieb der gemessene Leitwert nahezu konstant. Die Elektronen wurden auf dieser kurzen Strecke offenbar nur wenig gestreut.
Deutlich schlechterer Halbleiter: CPHN2 leitete rund 100-mal schwächer. Bei niedrigen Spannungen war der Stromfluss stark eingeschränkt.

Den nahezu ungehinderten Transport über die untersuchte Strecke bezeichnen Physiker als ballistischen Elektronentransport. Dabei bewegen sich Elektronen durch den Leiter, ohne unterwegs häufig gestreut zu werden.

Zusätzliche Messungen erklären die Unterschiede

Um die elektronischen Eigenschaften genauer zu untersuchen, trennten die Wissenschaftler die Kohlenstoffbänder durch eine Bromschicht weitgehend von der Silberoberfläche. Anschließend analysierten sie die Interferenzmuster der Elektronen. Aus diesen Mustern lässt sich ableiten, welche Energien die Elektronen im Material besitzen.

Bei CPHN1 fanden sie elektronische Zustände am sogenannten Fermi-Niveau. Das entspricht dem Verhalten eines Metalls. Bei CPHN2 bestätigte sich dagegen die kleine Bandlücke. Die unterschiedlichen Leitfähigkeiten lassen sich damit auf die Anordnung der Kohlenstoffatome zurückführen.

Für den Einsatz in Computerchips sind allerdings weitere Entwicklungen nötig. Die bisherigen Ergebnisse stammen aus Messungen an einzelnen Nanobändern unter speziellen Laborbedingungen. Ob sich solche Kohlenstoffleiter in großer Zahl herstellen und dauerhaft in elektronische Bauteile integrieren lassen, ist bislang offen.

Kurz zusammengefasst:

Chinesische Wissenschaftler haben ein nur 0,9 Nanometer breites Kohlenstoffband hergestellt, das Strom wie ein Metall leitet und damit eine Vorhersage aus dem Jahr 1996 bestätigt.
Entscheidend ist die Anordnung der Kohlenstoffatome: Bereits kleine Unterschiede im Aufbau können bestimmen, ob ein Material Strom gut leitet oder sich wie ein Halbleiter verhält.
Die Elektronen bewegen sich über kurze Strecken nahezu ungehindert durch das neue Material, das künftig als extrem dünne elektrische Verbindung in Computerchips dienen könnte.

Übrigens: Auch Wissenschaftler der Universität Augsburg erforschen, wie sich elektrischer Strom auf molekularer Ebene steuern lässt. Ein neu entwickelter Molekularmotor steigert den Stromfluss um das Hundertfache. Als Vorbild diente eine mehr als 2.000 Jahre alte Erfindung: die archimedische Schraube.