Durchblick im Display dank Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Elektrisch leitende Filme aus Kohlenstoff werden durchsichtig

Elektrisch leitende, durchsichtige Filme lassen sich aus geschichteten Kohlenstoffnanoröhrchen herstellen. Sie sind durchsichtig sowohl für sichtbares als auch für infrarotes Licht im Sichtbaren vergleichbar mit transparenten, leitfähigen Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), diesen im Infraroten jedoch bei weitem überlegen. Eine mögliche Anwendung für sichtbares Licht wären biegsame oder faltbare Displays, das brüchige ITO wäre hier eher ungeeignet.

Forscher der Uni von Florida haben aus einlagigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, auch Carbon Nanotubes (CNT) genannt, elektrisch leitende Filme hergestellt, die sichtbares und infrarotes Licht durchlassen. Ihr Bericht erschien am 27. August 2004 in der Zeitschrift Science auf Seite 1273 ff. in Band 305. Mit diesen transparenten Filmen haben die amerikanischen Wissenschaftler einen elektrisch schaltbaren Lichtmodulator entwickelt.

Dieser 80 Nanometer dicke Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf einem Saphir-Substrat ist mit einer Ausdehnung von 10 Zentimetern groß genug für Displays, der Film verdeckt nicht den Text unter ihm.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind zu langen Zylindern aufgerollte Ebenen aus Graphit. Die hier verwendeten CNT-Filme sind intrinsisch leitend, es ist jedoch ebenso möglich, halbleitende oder isolierende Filme herzustellen je nach den Details der Geometrie der Röhrchen wie Durchmesser oder Verdrillung. Interessant sind nicht nur die elektrischen, sondern auch die optischen Eigenschaften, CNT-Filme lassen sichtbares und infrarotes Lichts durch. Die Lichttransmission ist im sichtbaren Wellenlängenbereich dem bereits im Massenmarkt eingesetzten Indium-Zinn-Oxid (ITO) vergleichbar, im nahen Infrarot zwischen 0,8 und 5 Mikrometern Lichtwellenlänge lassen CNT-Filme bei gleichem elektrischen Widerstand weitaus mehr Licht durch; die Differenz des spezifischen Widerstands kompensieren dann unterschiedliche Schichtdicken.

Ein Rasterkraftmikroskop bringt die Nanoröhrchen eines 150 Nanometer dicken Films mit atomarer Auflösung zum Vorschein.

Verglichen mit ITO haben die Kohlenstofffilme eine niedrigere Ladungsträgerdichte, jedoch eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit, die niedrigere Ladungsträgerdichte sorgt für eine kleinere Absorption im Infraroten. Ein elektrisch leitender CNT-Film mit einer Dicke von 50 Nanometern lässt im Wellenlängenbereich zwischen 2 und 5 Mikrometern mehr als 90 Prozent des infraroten Lichts durch. Um die Absorption zu messen, eignet sich ein 240 Nanometer dicker Film jedoch besser.

Die Lichtabsorption eines 240 Nanometer dicken Kohlenstofffilms vom sichtbaren bis zum fernen Infrarot

Durch Antireflexionsbeschichtungen ließe sich die Transmission noch etwas verbessern. Trifft ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche zweier Materialen unterschiedlicher optischer Brechungsindices, also beispielsweise von Luft auf Fensterglas, dann wirft die Grenzfläche ein Teil des einfallenden Lichts zurück. Eine nahe liegende Anwendung der transparenten elektrischen Kontakte wären Flüssigkristallanzeigen von Notebooks oder Videorecordern, das für sichtbares Licht bewährte ITO wird allerdings bestenfalls Nischen übrig lassen, etwa biegsame oder faltbare Displays.

Ein elektrisch gesteuerter Lichtmodulator mit transparenten Kontakten

Möglicherweise ließe sich der Wirkungsgrad von Solarzellen noch etwas steigern, indem der Infrarotbereich des Sonnenspektrums noch besser ausgenutzt würde, als es etwa mit ITO oder dünnen Metallschichten möglich ist, zudem drängt sich hier die Thermophotovoltaik als Einsatzfeld auf. Ein weiteres Einsatzfeld der transparenten CNT-Filme könnte im Hinblick auf infrarotes Licht die Militärtechnik sein, denn die Transmission des Films lässt sich in einem Lichtmodulator durch Anlegen eines elektrischen Feldes steuern.

Das weitere Repertoire der Kohlenstoff-Nanoröhrchen erstreckt sich bis in die Elektronik, und zwar von Nanotransistoren bis hin zur Leistungselektronik, hier insbesondere Durchkontaktierungen in übereinander ein einem gemeinsamen Gehäuse gestapelten Siliziumchips.

Nur im Infraroten brilliert der Lichtmodulator, im Sichtbaren zeigt sich allenfalls noch für rotes Licht mit 656 Nanometern Wellenlänge ein nennenswerter Effekt, nicht so im kurzwelligeren Bereich S1

Die herausragenden Eigenschaften der Nanoröhrchen sind ihre extrem hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit sowie eine Strombelastbarkeit, die die zulässige Stromdichte des Kupfers um drei Größenordnungen übertrifft, Kupferdrähte schmelzen bei einer Stromdichte von einem Megaampere pro Quadratzentimeter.

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