Wissenschaftler fädeln Reihen von Metallatomen zu Nanofaserbündeln

Forschern der Tokyo Metropolitan University ist es gelungen, Atome aus Indiummetall zwischen einzelne Fasern in Bündeln von Übergangsmetallchalkogenid-Nanofasern einzufädeln. Indem die Bündel in Indiumgas getaucht wurden, konnten Atomreihen ihren Weg zwischen die Fasern finden, um durch Interkalation eine einzigartige Nanostruktur zu erzeugen. Durch Simulationen und Widerstandsmessungen wurde gezeigt, dass einzelne Bündel metallische Eigenschaften haben, was den Weg für die Anwendung als flexible Nanodrähte in Nanoschaltkreisen ebnet. Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Nano.

Atomdrähte aus Übergangsmetallchalkogeniden (TMCs) sind Nanostrukturen, die aus einem Übergangsmetall und einem Element der Gruppe 16 wie Schwefel, Selen und Tellur bestehen. Sie sind in der Lage, sich selbst zu einer Vielzahl von Strukturen mit unterschiedlicher Dimensionalität zusammenzufügen, was sie in den Mittelpunkt einer Revolution bei Nanomaterialien stellt, die in den letzten Jahren im Mittelpunkt intensiver Forschung stand. Insbesondere eine Klasse von 3D-TMC-Strukturen hat besonderes Interesse geweckt, die aus Bündeln von TMC-Nanofasern bestehen, die durch Metallatome zwischen den Fasern zusammengehalten werden und alle in ihrem Querschnitt ein wohlgeordnetes Gitter bilden. Je nach Wahl des Metalls könnte die Struktur sogar zum Supraleiter werden.

Indem die Bündel dünn gemacht werden, könnten sie außerdem zu flexiblen Strukturen verarbeitet werden, die Elektrizität leiten: Dies macht TMC-Nanostrukturen zu einem Hauptkandidaten für die Verwendung als Verdrahtung in Nanoschaltkreisen. Es war jedoch schwierig, diese Strukturen zu langen, dünnen Fasern zu machen, die für ihre eingehende Untersuchung sowie für Anwendungen in der Nanotechnologie erforderlich sind.

Ein Team unter der Leitung von Assistant Professor Yusuke Nakanishi und Associate Professor Yasumitsu Miyata hat Synthesetechniken für TMC-Nanostrukturen untersucht. In jüngsten Arbeiten haben sie gezeigt, dass sie lange, dünne Bündel von TMCs (ohne Metall) über beispiellos große Längenskalen herstellen können. Jetzt haben sie eine Dampfphasenreaktion verwendet, um atomar dünne Reihen von Indium in dünne Bündel von Wolframtellurid einzufädeln. Indem ihre langen Nanofaserbündel unter Vakuum bei 500 Grad Celsius Indiumdampf ausgesetzt wurden, gelangten die Indiummetallatome in den Raum zwischen den einzelnen Nanofasern, aus denen die Bündel bestehen, und bildeten eine interkalierende (oder überbrückende) Indiumreihe, die die Fasern bindet zusammen.

Nachdem sie erfolgreich große Mengen dieser TMC-Bündel mit Fäden hergestellt hatten, untersuchten sie die Eigenschaften ihrer neuen Nanodrähte. Durch die Betrachtung des spezifischen Widerstands als Funktion der Temperatur zeigten sie schlüssig, dass sich einzelne Bündel wie ein Metall verhalten und somit Strom leiten. Dies stimmte mit Computersimulationen überein und zeigte auch, wie gut geordnet die Strukturen waren. Interessanterweise fanden sie heraus, dass sich diese Struktur geringfügig von Massenchargen gebündelter Nanofasern unterschied, da die interkalierten Reihen dazu führten, dass sich jede Nanofaser leicht um ihre Achse drehte.

Die Technik des Teams ist nicht nur auf Indium und Wolframtellurid oder auf diese spezielle Struktur beschränkt. Sie hoffen, dass ihre Arbeit ein neues Kapitel für die Entwicklung von Nanomaterialien und die Untersuchung ihrer einzigartigen Eigenschaften anregen könnte.