Vom Mineral zum Nanodraht

Das Thema des Monats

Seit Januar 2018 präsentieren wir an dieser Stelle monatlich ein spannendes Thema aus dem Bereich der Werkstoffwissenschaften.

Das „Thema das Monats“ ist einfach und verständlich erklärt und gibt aufschlussreiche Einblicke in die Forschungsaktivitäten unseres Departments.

Das Thema des Monats Februar kommt aus dem Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung (WW9) und hat den Titel:

 

Vom Mineral zum Nanodraht

In situ“-Mikroskopie eines neuen Herstellungsverfahrens von Molybdänoxid Nanodrähten

von Lilian Vogl

Worum geht es bei dem Thema?

Unter „in situ“-Mikroskopie versteht man das direkte Beobachten von chemischen und physikalischen Vorgängen auf einem Skalenbereich, der mit bloßem Auge nicht zugänglich ist.

Mit Hilfe eines Mikroskops kann direkt das Wachstumsverhalten von Nanodrähten mit einer Länge von bis zu 40 µm beobachtet und analysiert werden. Nanodrähte sind extrem dünne Strukturen mit einem Durchmesser im Bereich von 100 nm. Im Vergleich hierzu ist ein menschliches Haar etwa tausendmal so dick (» 100 mm).

Meine Forschung beschäftigt sich mit der direkten Herstellung von Molybdänoxid- Nanodrähten aus Molybdändisulfid, welches als Mineral Molybdänit in der Natur vorkommt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Herstellungsverfahren wird bei dieser neuen Synthesemethode das Mineral ohne umständliche chemische Fällungsreaktion in einer Flüssigkeit direkt in das Oxid umgewandelt. Weitere Vorteile sind die kurze Prozessdauer sowie das gerichtete Wachstum der Nanodrähte, welches für technische Anwendungen genutzt werden kann.

In Abbildung 1 ist das Mineral Molybdänit gezeigt, welches als dünne Schicht auf eine Oberfläche aufgebracht wird. Unter einer definierten Atmosphäre und einer geeigneten Temperaturbehandlung bilden sich die Molybdänoxid-Nanodrähte.

Abbildung 1: Mineral Molybdänit MoS2 mit Quarz (Links), Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen: MoS2 mit gewachsenen Molybänoxid-Nanodrähten nach der Prozessierung

Wo findet es Anwendung?

Molybdänoxid-Nanodrähte zeichnen sich unter anderem durch ihre außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften aus und zählen zu den metallischen Leitern. Demnach ergeben sich eine Vielzahl an technischen Anwendungen beispielsweise im Bereich der chemischen Sensoren oder in elektrochemischen Ionenbatterien.

Um die elektrische Leitfähigkeit der Nanodrähte zu messen, werden sogenannte Vier-Punkt Messungen im Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, siehe Abbildung 2. Hierfür wird der Nanodraht über vier Goldspitzen kontaktiert und ein Strom wird über die äußeren Spitzen angelegt. Die Spannung wird über die innen liegenden Spitzen abgegriffen und der Wiederstand bzw. die Leitfähigkeit kann über entsprechende Formeln bestimmt werden. Des Weiteren können die Nanodrähte als Feldemitter eingesetzt werden.

Abbildung 2: Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Nanodrahts im Rasterelektronenmikroskop mit Schemaskizze (Links und Mitte), Feldemission von einem Nanodraht (Rechts)

Was ist weiter geplant?

Bereits während der Masterarbeit konnte ich die ersten Ergebnisse meiner Untersuchungen im August 2017 auf der Europäischen Mikroskopie-Konferenz EMC2017 in Lausanne als Vortrag präsentieren und habe dort neue Anregungen gesammelt. Neben Molybdänoxid-Nanodrähten können auch Nanodrähte aus andere Metalloxiden, wie z.B. Wolframoxid, mit interessanten Eigenschaften hergestellt und untersucht werden. Außerdem können mit angepassten Prozessparametern nicht nur einzelne Nanodrähte, sondern auch ganze Netzwerke erzeugt werden. Allgemeines Ziel ist der Bau eines Nanodevices im Bereich der chemischen Gas-Sensoren unter Ausnutzung der elektrischen Eigenschaften.

Für interessierte Studenten ergeben sich am Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung interessante und vielfältige Forschungsaufgaben im Bereich der Nanodrähte. Bei Interesse könnt ihr uns gerne kontaktieren.

Zur Person:

Name: Lilian Vogl

Studium: M.Sc. Materialwissenschaften und Werkstofftechnik

Schwerpunkte: Mikro- und Nanostrukturforschung, Korrosion und Oberflächentechnik, Allgemeine Werkstoffeigenschaften

Hobbys: kreatives Arbeiten, Mode, Konzerte und der Club