Neues Verfahren ermöglicht Steuerung von elektronischen Materialeigenschaften

Gewöhnlich ist der elektrische Widerstand eines Materials ebenso wie sein spezifisches Gewicht und seine Farbe eine nicht steuerbare Materialeigenschaft. Forschenden um die Physikerin Dr. Meike Stöhr ist es nun gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem zukünftig die elektronischen Eigenschaften an einer Oberfläche gezielt verändert werden können, darunter auch der Widerstand.

Das interdisziplinäre Team aus Physikern und Chemikern hat eine Substanz entwickelt, die durch Erhitzen auf einer Kupferoberfläche ein stabiles zweidimensionales Netzwerk mit Nanometer-kleinen Poren bildet. Durch die Wechselwirkung dieses Netzwerks mit dem an der Metalloberfläche vorhandenen Elektronengas kommt es zu zwei Effekten: Unterhalb des Netzwerks werden die Elektronen verdrängt, während sich in den Poren kleine Elektronenseen in sogenannten Quantentöpfen bilden.

Grosses Potenzial für die Materialforschung

Durch Veränderung sowohl des Porenabstands als auch des Porendurchmessers besteht die Möglichkeit, die Eigenschaften des Materials gezielt zu verändern. Eine weitere Möglichkeit zur Veränderung bietet sich durch das Befüllen der Poren mit Gast-Molekülen an. Dadurch würde ein direkter Zugriff auf die Eigenschaften ermöglicht, welche von den Elektronen bestimmt werden, wie z.B. die Leitfähigkeit, die Reflektivität oder die katalytischen Eigenschaften der Oberfläche. Auf diese Weise können Materialien mit neuen steuerbaren Eigenschaften entstehen.

Die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge können durch den Vergleich des Elektronengases mit Wasserwellen an folgendem Beispiel nachvollzogen werden: An einem auf der Oberfläche schwimmenden Hindernis werden Wasserwellen reflektiert. Für ein Hindernis in Form eines Bienenwaben-förmigen Netzes können sich in den einzelnen Waben stehende Wasserwellen ausbilden. So entsteht je nach Struktur und Grösse des Netzes ein charakteristisches Wellenmuster. Analog hierzu entstehen im oben beschriebenen neuen Material charakteristische Elektronenwellen aufgrund der Wechselwirkung des molekularen Netzwerks mit den Elektronen der Metalloberfläche.

Poren-Netzwerke sind Kandidaten für neue Metamaterialien. Dies sind Stoffe, die aufgrund ihrer speziellen periodischen Struktur optische bzw. elektronische Eigenschaften haben, die durch die Steuerung der Eigenschaften der einzelnen Komponenten gezielt verändert werden können. Im vorliegenden Fall sind es die elektronischen Eigenschaften der Oberfläche, welche durch die Grösse und die Eigenschaften der selbstorganisierten Nano-Poren bestimmt werden.

Die Universität Basel und das Paul Scherrer Institut sind Teil des langfristig angelegten und vom Kanton Aargau finanzierten Swiss Nanoscience Institute (SNI). Zum SNI gehören das 2001 gegründete Netzwerk des Nationalen Forschungsschwerpunkts Nanowissenschaften sowie das 2006 neu geschaffene, vom Kanton Aargau finanzierte Argovia-Netzwerk. Wichtiger Partner im vorliegenden Projekt war die Synchrotron Lichtquelle Schweiz des Paul Scherrer Instituts.