Die wundersame Welt der Nanodrähte
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:
Die wundersame Welt der Nanodrähte
Korrelative elektrische und mechanische Messungen an Silber-Nanodrähten mit Hilfe der Elektronenmikroskopie
von Marco Moninger
Worum geht es bei dem Thema?
Die Messung von Materialeigenschaften gehört zu den Grundpfeilern der Materialforschung, seien es mechanische Tests oder Messungen des elektrischen Widerstands. Manchmal ist es dabei wichtig, nicht nur eine, sondern gleich mehrere Materialeigenschaften gleichzeitig zu vermessen – dann nämlich, wenn die Kombination beider Eigenschaften für die Anwendung wichtig ist.
Unsere Arbeitsgruppe „Nanomechanics“ am Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung (WW9) beschäftigt sich mit genau dieser Verbindung aus Messmethoden. Dabei setzen wir die Elektronenmikroskopie ein, um auf der Nanometerskala „mit eigenen Augen“ verfolgen zu können, wie sich das Material unter Belastung verhält. Im Fall der Netzwerke aus Silber-Nanodrähten geht es um die Verbindung aus elektrischer Widerstandsmessung und mechanischen Zugversuchen. Dabei nutzen wir die Rasterelektronenmikroskopie (REM), um das mechanische Verformungsverhalten der Drähte mit dem Ansteigen des Schichtwiderstands direkt zu korrelieren und die Ursachen für bestimmte Versagensmechanismen zu finden.
Abbildung 1 zeigt schematisch den Ablauf von der Synthese der Nanodrähte (links) über den Beschichtungsprozess (mitte) bis hin zum fertigen Nanodraht-Netzwerk (rechts).
Die so präparierten Filme werden direkt elektrisch kontaktiert und während der Verformung im Elektronenmikroskop beobachtet. Abbildung 2 zeigt, dass unter steigender Zugbelastung einige Nanodrähte reißen, während andere Knicke bilden (links). Gleichzeitig nimmt der Schichtwiderstand des Netzwerks kontinuierlich zu (rechts).
Wo findet es Anwendung?
Netzwerke aus Silber-Nanodrähten finden Anwendung als transparente Elektroden für Dünnschichtsolarzellen. Dieser Typ Solarzelle bietet den großen Vorteil einer höheren mechanischen Flexibilität, kann also gebogen und gezogen werde. Herkömmlich verwendete Elektrodenmaterialien, wie zum Beispiel Indiumzinnoxid (ITO), sind allerdings spröde und versagen daher unter mechanischer Beanspruchung. Aufgrund der hohen Biegsamkeit der Nanodrähte haben Nanodraht-Elektroden hier große Vorteile. Mit dem Wissen über die mikroskopischen Verformungsmechanismen und deren Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften kann diese mechanische Stabilität weiter verbessert werden.
Was ist weiter geplant?
Mit diesen Untersuchungen wurde ein Grundstein für das Verständnis des Verhaltens transparenter Elektroden gelegt. Es zeigten sich jedoch auch eine Vielzahl von Phänomenen, die weiterer Untersuchungen bedürfen, etwa der Einfluss des zugrundeliegenden Substrates, in diesem Fall PET, oder eine genaue Analyse der entstehenden Defekte während des Verformungsprozesses. Um noch tiefere Einblicke zu gewinnen, setzen wir derzeit die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ein.
Für interessierte Studenten ergeben sich im Bereich der Nanodrähte oder allgemeiner der Nanomechanik immer wieder abwechslungsreiche und interessante Forschungsfelder. Bei Interesse stehen die Mitglieder des Lehrstuhls für Mikro- und Nanostrukturforschung gerne zur Verfügung.
Zur Person:
Name: Marco Moninger
Studium: B.Sc. Nanotechnologie (FAU)
Schwerpunkte: Mikro- und Nanostrukturforschung, Materialien der Elektronik und der Energietechnologie
Hobbies: Bouldern, B-Movies, Konzerte