Empa

«Auf das letzte Atom kommt es an»

Empa-Forschende haben neuartige Materialien aus Kohlenstoff entwickelt, die unter Ausnutzung von Quanteneffekten bislang unerreichte elektronische und magnetische Eigenschaften aufweisen. Die Werner Siemens-Stiftung unterstützt das Projekt CarboQuant mit einem Förderbeitrag von 15 Millionen Franken. Graphen, Nanotechnologie und Quantenwissenschaft finden mittlerweile breite Anwendung in der Empa.

Ori Schipper 22.05.2023

Dies ist eine jener wunderbaren Geschichten aus der Forschung, die den Bogen schlagen von den Materialwissenschaften der Vergangenheit in die Quantenwissenschaften der Zukunft. Sie begann damit, dass 2003 der Forscher Pierangelo Gröning, heute Empa-Departementsleiter «Moderne Materialien und Oberflächen», an das Institut kam, um den Bereich Nanotechnologie aufzubauen. Mit ihm kam Roman Fasel, heute Leiter des nanotech@surfaces-Labors: Sie kennen sich aus Zeiten an der Universität Fribourg, wo die Physiker an Kohlenstoffröhren geforscht hatten – dem Prototyp-Material der Nanotechnologie.

2009 realisierten sie, dass Kohlenstoff-Nanoröhren für geplante elektronische Anwendungen nur bedingt geeignet sind, da der Syntheseprozess nicht zielführend zu beherrschen ist. Fasel, der sich in seiner Dissertation mit Molekularstrukturen auf Oberflächen beschäftigt hatte, kam auf die Idee, statt Nanoröhren eine kontrollierte Herstellung von Nanobändern über molekulare Bausteine zu versuchen – vorstellbar wie ein Lego-Baukastensystem aus Molekülen.

«Fehlt ein Atom oder ist am falschen Ort, funktioniert das Ganze nicht mehr.» Pierangelo Gröning, Empa-Departementsleiter «Moderne Materialien und Oberflächen»

Dann kam Graphen ins Spiel: eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur und bienenwabenförmigem Muster. Ein Material mit hoher Stabilität und einem Nachteil. «Es ist kein Halbleiter, sondern ein Halbmetall und für viele elektronische Anwendungen nicht brauchbar», so Fasel, «es sei denn, es gelingt, die Bewegung der Elektronen so einzuschränken, dass aus dem Halbmetall ein Halbleiter wird. Dies geschah, indem wir GraphenNanobänder synthetisierten und eine sogenannte Bandlücke in das Graphen hineinbrachten.» Unter dem Rastertunnelmikroskop untersuchte man die wenige Atome breiten Bänder. Es zeigte sich, dass sich bei der reduzierten Dimensionalität des Materials Quanteneffekte einstellten, und die GraphenNanobänder nicht mehr kontinuierliche, sondern eben quantisierte Energiezustände aufwiesen.

«Über die Breite des Bands», erklärt Fasel, «lässt sich die Bandlücke, die wichtigste Eigenschaft des Halbleiters, sogar einstellen.» Aus den Anfängen mit den NanoRöhren haben die Forscher nun einen Weg gefunden, die vollständige Kontrolle über die Struktur und die physikalischen Eigenschaften von Nanobändern zu erlangen. Sie können speziell designte Moleküle mittels molekularer Selbstorganisation zu jedem gewünschten Band zusammenbauen und dieses auch bis in die atomare Struktur hinein visualisieren. «Auf das letzte Atom kommt es an», sagt Gröning, «fehlt eines oder ist am falschen Ort, funktioniert das Ganze nicht mehr.» 2010 waren sie erstmals in der Lage, die Graphen-Nanobänder atomar präzise herzustellen.

Energieeffiziente und robuste Quantentechnologien

In den letzten zwei Jahren berichteten sie in den Fachblättern «Nature Nanotechnology», «Nature Chemistry» und «Nature» über Magnetismus in massgeschneiderten Kohlenstoff-Nanomaterialien, und insbesondere über einen physikalischen Effekt, den Forschende als Spin-Fraktionierung bezeichnen. Dieser bildet sich dann aus, wenn viele ganzzahlige Spins in eine gemeinsame, kohärente Quantenüberlagerung gebracht werden können, wie das den Empa-Wissenschaftlern in präzise synthetisierten Molekülketten gelungen ist. Daraus entstand das Empa-Projekt CarboQuant, das nun von der Werner Siemens-Stiftung in den nächsten zehn Jahren mit insgesamt 15 Millionen Franken unterstützt wird.

Überzeugt hat die Stiftung, dass «über die Geometrie des Graphens dessen elektrische und magnetische Eigenschaften eingestellt werden können. Die Form bestimmt die Eigenschaften, nicht die Chemie – ein vollkommen neuer Denkansatz.» Das Projekt CarboQuant soll nun die Grundlagen für neuartige, energieeffiziente und robuste Quantentechnologien schaffen, die auch bei Raumtemperatur funktionieren können – mit heutigen Materialien sind Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich.

Ganz neue Möglichkeiten in der Materialentwicklung

Mit Graphen, Nanotechnologie und Quantenwissenschaft beschäftigen sich mittlerweile mehrere Empa-Abteilungen. Mickael Perrin, AssistenzProfessor an der ETH Zürich, forscht mit einem ERC Starting Grant an quantenphysikalischen Stromwandlern – winzige Kraftwerke aus Graphen-Bändern, die durch thermoelektrische Umwandlung und unter Ausnutzung von Quanteneffekten aus Abwärme Strom erzeugen.

Eine weitere Empa-Forschungsgruppe um ETH Zürich Professor Maksym Kovalenko erforscht die Synthese und Anwendung von Nanokristallen mit gerade mal 3–10 Nanometern Grösse. Die Gruppe beherrscht die Synthese dieser Kristalle in einem Mass, dass sie nahezu monodispers hergestellt werden können. Damit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten in der Materialentwicklung: Nanokristalle in Supergittern mit neuartigen Eigenschaften, die sich möglicherweise für den Einsatz als energieeffiziente und ultraschnelle Lichtquelle eignen.