Forschung -

Elektronen-Rangelei in Nanostrukturen aus Kohlenstoff

Physiker haben das Verhalten von Elektronen in Graphen-Nanobändern aufgeklärt. Diese Kenntnisse sind entscheidend für den potenziellen Einsatz von Nanostrukturen aus Graphen in elektronischen Bauteilen.

Graphen-Nanobänder sind vielversprechend, um elektronische Bauteile weiter zu verkleinern und damit Geräte wie Laptops oder Smartphones schneller und leistungsfähiger zu machen. Graphen besteht aus einer einzigen Atomlage Kohlenstoff und hat unter anderem eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Allerdings zeigen die Nanostrukturen bedingt durch die räumliche Einschränkung ein stark verändertes elektronisches Verhalten. Mit einem aufwendigen Rechenmodell gelang es einem Team unter Leitung von Professor Michael Bonitz vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik (ITAP) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), die Eigenschaften der Elektronen in diesen Nanostrukturen zu erklären und präzise zu simulieren.

Zwei Forschungsteams ist es unabhängig voneinander gelungen, heterogene schmale Kohlenstoff-Nanobänder herzustellen und die Elektronenenergien darin auszumessen. Bei den Bändern wechseln sich verschieden breite Bereiche regelmäßig ab. Dadurch entstehen unterschiedliche Energiezustände mit einer eigenen elektronischen Struktur. „In theoretischen Modellen konnten die Messergebnisse aber nicht vollständig reproduziert werden“, erklärt Bonitz. Zusammen mit seinem Doktoranden Jan-Philip Joost und dem dänischen Kollegen Professor Antti-Pekka Jauho von der Technischen Universität Dänemark (DTU) verbesserte er das Modell und erreichte damit eine hervorragende Übereinstimmung mit den Experimenten.

Grundlage für die präziseren Computersimulationen war die Annahme, dass die Abweichungen zwischen Experiment und bisherigen Modellen durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen bedingt war. Die Coulomb-Wechselwirkung ist in den Kohlenstoff-Nanostrukturen viel größer als in Metallen. Die Elektronen werden aus den ursprünglichen Energiezuständen herausgestoßen und müssen sich andere Plätze suchen, wie Bonitz verdeutlicht: „Wir konnten nachweisen, dass Korrelationseffekte durch die Coulomb-Wechselwirkung der Elektronen einen zum Teil dramatischen Einfluss auf das lokale Energiespektrum haben.“

Wie die zulässigen Energiewerte der Elektronen von der Länge, Breite und Form der Nanostrukturen abhängt, konnte die Untersuchung weiterer Nanobänder aufklären. „Unsere Daten ermöglichen erstmals präzise Vorhersagen, wie sich das Energiespektrum durch die gezielte Variation der Form der Nanobänder steuern lässt”, sagt Jauho. Die Forscher hoffen, dass diese Vorhersagen nun auch experimentell überprüft werden und zur Entwicklung neuer Nanostrukturen führen. Derartige Systeme können einen entscheidenden Beitrag zur weiteren Miniaturisierung der Elektronik liefern.

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