Forschung am mst

Sensitive CNT-Schichten

Dieses Projekt untersucht die Erzeugung und Funktionalisierung von Schichten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (engl.: carbon nanotubes, kurz: CNT).

Projektstatus: abgeschlossen

Die Nanotechnologie birgt ein hohes Innovationspotential und gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nanotubes, CNT) sind mitunter die wichtigsten Vertreter dieser neuen Materialklasse. Seit ihrer Entdeckung 1991 hat ihre Bedeutung in Forschung und Entwicklung rasant zugenommen. Zurückzuführen ist dies auf die außergewöhnlichen Materialeigenschaften, die Nanoröhren aufweisen und sie für eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen, darunter auch Sensoren, als Materialkomponente interessant machen.

Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen aus gekrümmten und in sich geschlossenen graphitähnlichen Atomlagen, die typischerweise aus einer sehr großen Anzahl von ringförmig gebundenen Kohlenstoffatomen bestehen und zu einer stabilen schlauchartigen Gesamtstruktur der Moleküle führen. Dies hat zur Folge, dass CNT einerseits eine sehr hohe mechanische Zugfestigkeit andererseits aber auch eine hohe Elastizität aufweisen. Besteht ein CNT-Molekül aus einer einzelnen Atomlage, spricht man von einwandigen Nanoröhren (single walled carbon nanotube, SWCNT). Mehrere konzentrisch ineinander verschachtelte Röhren werden als mehrwandig (multi walled carbon nanotube, MWCNT) bezeichnet.

REM-Aufnahme einer gesprühten CNT-Schicht (c)
REM-Aufnahme einer gesprühten CNT-Schicht

Der Lehrstuhl Mikrosystemtechnik hat sich sich gemeinsam mit der Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe (TEG) der vielfältigen Welt dieser neuartigen Materialien gewidmet. Die Besonderheit dieser Werkstoffe liegt in der molekularen Struktur: Kohlenstoff-Nanoröhren besitzen einen vergleichsweise geringen Durchmesser von nur wenigen Nanometern bei einer Länge von einigen hundert Mikrometern bis zu einigen Zentimetern. Das Bild 1 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines am Lehrstuhl Mikrosystemtechnik hergestellten dünnen MWCNT-Netzwerks mit einer mittleren Schichtdicke von ca. 500 nm. Die Länge des im Bild 1 dargestellten Maßstabs beträgt 100 nm. Dieses ungewöhnliche Verhältnis der Länge zum Durchmesser, das sogenannte Aspektverhältnis, führt zu einer großen Oberfläche der CNT-Moleküle bei vergleichsweise geringer Dichte.

Die hohe Affinität der Kohlenstoff-Nanoröhren führt dazu, dass sie sich leicht zu Bündeln vieler CNT-Moleküle und zu Anlagerung anderer Stoffe zusammenschließen. Diese Materialeigenschaft machen Kohlenstoff-Nanoröhren für alle sensorische Anwendungen in der chemischen und biologischen Analytik außerordentlich interessant. Zwar sind CNT generell sehr stabile Moleküle, jedoch ist es möglich durch gezielte Reaktionsabläufe zusätzliche chemische Nebengruppen dauerhaft zu binden. Durch eine sogenannte chemische Funktionalisierung lassen sich sowohl die Löslichkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren als auch die Selektivität von stofflichen Bindungen verbessern. Je nach molekularem Aufbau (Chiralität) können sie elektrische Leitungseigenschaften aufweisen, die entweder dem eines halbleitenden oder eines metallisch leitenden Materials entsprechen. Diese besonderen elektrischen Eigenschaften lassen sich genau genommen nur für einzelne CNT in ihrer vollen Bandbreite ausnutzen, was in vielfacher Form durch den mikrotechnischen Aufbau von CNT-Feldeffekttransistoren demonstriert wurde. Jedoch stellt die Verarbeitung von einzelnen CNT unter wirtschaftlich-technischen Gesichtspunkten bisher noch eine große Herausforderung dar. Zwar existieren Ansätze, einzelne Nanoröhren durch den Einsatz von speziellen CVD-Reaktionen in mikrostrukturierten Umgebungen gezielt wachsen zu lassen, diese stellen aber hohe Anforderungen an die Prozesstechnik und Produktionsinfrastruktur und bergen für die industrielle Verarbeitung von CNT bisher noch ein relativ hohes Investitionsrisiko.

Eine preisgünstige Alternative zu diesen, durch aufwändige Verfahren hergestellten, Mikrostrukturen stellt die Verarbeitung von flüssigen Dispersionen mittels relativ einfacher Beschichtungsverfahren dar. Die so hergestellten CNT-Schichtsysteme besitzen auch im Falle von extrem dünnen Schichten die oben beschriebenen Charakteristika und bilden so einen guten Kompromiss aus konventioneller Verarbeitung von CNT-Rohstoffmaterial und der Nutzung ausgezeichneten Materialeigenschaften. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Beimengung als Zusatzstoff für die Herstellung von Kompositmaterialien zumeist auf Kunststoffbasis. Hier dienen die CNT als verstärkendes Material, welches sich durch geringere Zunahme der Steifigkeit des Komposits auszeichnet oder zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit des ansonsten isolierenden Kunststoffes führt. Dispersionen werden durch Untermischung von pulverförmigem CNT-Rohmaterial in Lösungsmitteln, häufig auch unter Zuhilfenahme von oberflächenaktiven Substanzen und anschließender Ultraschallbehandlung des flüssigen Gemischs hergestellt. Mittels herkömmlicher fluidischer Verarbeitungsverfahren (wie zum Beispiel Sprühen, Aufschleudern, Dispensen) lassen sich so dünne und elektrisch leitfähige CNT-Filme beziehungsweise -Netzwerke herstellen, die mitunter auch transparent und zugleich leitfähig sein können.

Werden solche CNT-Netzwerke durch mechanische Dehnungen belastet, so zeigen sie eine messbare Änderung des Schichtwiderstands. In Bild 2 ist auf der linken Bildhälfte eine Messung eines elektrischen CNT-Schichtwiderstands über die relative Dehnung des jeweiligen Prüfkörpers aufgetragen. Es lässt sich gut erkennen, dass die Widerstandsänderung nahezu linear zur Dehnung verläuft. In der rechten Bildhälfte sind zwei beispielhafte Prüfkörper zur Bestimmung von dehnungsabhängigen Widerständen für die Untersuchung mit Zugdehnmaschinen dargestellt. Die Dehnung bei einer bestimmten Kraftbelastung wird maßgeblich durch das Prüfkörpermaterial bestimmt, während die elektrische Widerstandsänderung der CNT-Schicht diese Dehnung messtechnisch bestimmbar macht. Damit können CNT-Netzwerke als dehnungsempfindliche Sensoren eingesetzt werden.

Graph des Wiederstandsverlaufs über der Dehnung eines Prüfkörpers, wie beispielhaft rechts dargestellt (c)
Graph des Wiederstandsverlaufs über der Dehnung eines Prüfkörpers, wie beispielhaft rechts dargestellt

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