Laut einem Bericht in der neuesten Ausgabe von Science hat ein Forschungsteam der Universität Tokio in Japan erfolgreich einen einwandigen Molybdändisulfid (MoS₂) Halbleiter-Nanotube mit einem Durchmesser von nur 1 Nanometer, ungefähr ein Hunderttausendstel der Breite eines menschlichen Haares, unter Verwendung von Bornitrid (BN) Nanotuben als Vorlage hergestellt. Die Struktur gilt als der weltweit kleinste Halbleiter-Nanotube bis heute. Die Errungenschaft bestätigt nicht nur theoretische Vorhersagen, die vor Jahrzehnten zu den elektronischen Eigenschaften ultradünner Materialien gemacht wurden, sondern bietet auch einen neuen Ansatz zur Entwicklung von miniaturisierten elektronischen Geräten der nächsten Generation.
Kohlenstoffnanotuben zogen einst viel Aufmerksamkeit auf sich wegen ihrer hervorragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Jedoch können geringe Unterschiede in ihrer atomaren Struktur die Leitfähigkeit erheblich beeinflussen, was Herausforderungen für Transistoranwendungen schafft. Im Gegensatz dazu ist MoS₂ ein natürlicherweise halbleitendes Material mit großem Potenzial in halbleiterbasierten elektronischen Geräten, hochsensiblen Sensoren und der Forschung auf quantenmechanischer Ebene. Da sich jedoch die Durchmesser der Nanotuben verringern, steigen die strukturelle Stabilität und die Schwierigkeiten bei der Herstellung scharf an. Die Herstellung ultradünner MoS₂-Nanotuben mit kontrollierten Strukturen bleibt daher eine große Herausforderung in der Materialwissenschaft.
Um diese Einschränkung zu überwinden, führte das Forschungsteam chemische Reaktionen im engen Innenraum von BN-Nanotuben durch und synthetisierte einwandige MoS₂-Nanotuben mit einem Durchmesser von nur 1 Nanometer und einer klar definierten atomaren Struktur. Die Forscher sagten, dieser eingeschlossene Raum ermögliche das Wachstum ultradünner MoS₂-Nanotuben, die sonst schwer zu bilden wären, während er auch eine geordnete atomare Anordnung fördere und hochgradig einheitliche Materialien mit gut definierten Strukturen produziere.
Die Studie ergab, dass die Bandlücke abnimmt, wenn der Durchmesser des Nanotubes kleiner wird, was eine theoretische Vorhersage bestätigt, die vor 25 Jahren vorgeschlagen wurde.
Konventionelle Methoden zur Herstellung von Nanotuben produzieren in der Regel mehrwandige Nanotuben mit Durchmessern größer als 10 Nanometer, und ihre atomaren Strukturen sind oft schwer genau zu kontrollieren. Auf der Nanoskala können selbst extrem kleine strukturelle Unterschiede die Materialleistung erheblich beeinflussen. Das Erreichen einer kontrollierten atomaren Struktur ist daher von großer Bedeutung für zukünftige Geräteanwendungen.
Bestehende Halbleitertechnologien stehen vor zunehmenden Schwierigkeiten, die strukturelle Perfektion aufrechtzuerhalten, während die Geräte weiter schrumpfen, wobei Fehler in kleineren Maßstäben einen größeren Einfluss haben. Kohlenstoffnanotuben stehen ähnlichen Herausforderungen gegenüber. MoS₂-Nanotuben könnten Vorteile in der dimensionalen Kontrolle und der Konsistenz der atomaren Struktur bieten und einen potenziellen neuen Weg zum Bau ultrakleinster Halbleiterkanäle darstellen.
Die Errungenschaft bleibt noch etwas von der praktischen Anwendung entfernt. Die derzeit produzierten Nanotuben sind nur mehrere hundert Nanometer lang. Das Forschungsteam plant, ihre Länge auf etwa 1 Mikrometer, oder 1.000 Nanometer, zu verlängern und zu untersuchen, ob die gleiche Methode auch zur Herstellung anderer anorganischer Nanotubenmaterialien, einschließlich magnetischer und supraleitender Materialien, verwendet werden kann.