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Zinn (Sn), Iod (I) und Phosphor (P): Flexibles Halbleitermaterial mit Doppelhelixstruktur entdeckt

Forscher der TU-München haben ein anorganisches Halbleitermaterial (SnIP) entdeckt, das Doppelhelices ausbildet. Seine zentimeterlangen Fasern sind hochflexibel und brechen auch beim Verbiegen nicht.

SnIP Bildquelle: © Andreas Battenberg / TUM

Der flexible Halbleiter aus Zinn, Iod und Phosphor (SnIP) liegt in Doppelhelix-Struktur vor.

Der Halbleiter verfügt zudem über bemerkenswerte optische und elektronische Eigenschaften. Dass er im Gegensatz zu allen anderen Halbleiter-Materialien flexibel ist, schreibt Daniela Pfister, Entdeckerin des Materials und Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe von Tom Nilges, Professor für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien an der TU München, der Doppelhelix-Struktur zu. »SnIP lässt sich einfach im Gramm-Maßstab herstellen und ist anders als Galliumarsenid, das ähnliche elektronische Eigenschaften hat, weitaus weniger giftig«, fügt sie hinzu.

Einsatzorte von SnIP können wegen seiner Halbleitereigenschaft  z.B. Solarzellen oder thermoelektrische Elemente, Photokatalysatoren, Sensoren oder optoelektronische Bauelemente sein. Eine Dotierung mit anderen Elementen verspricht die Einstellung der elektronischen Eigenschaften des neuen Materials auf vielfältige Anwendungsbereiche.

Die Anordnung der Atome als Doppelhelix erlaubt die Aufteilung der bis zu einem Zentimeter langen Fasern in dünnere Stränge. Die bislang hergestellte dünnste Faser besteht aus nur noch fünf Doppelhelix-Strängen mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern.

»Vor allem die Kombination aus interessanten Halbleiter-Eigenschaften und mechanischer Flexibilität macht uns Hoffnung auf viele Einsatzmöglichkeiten«, sagt Tom Nilges. »Im Vergleich mit organischen Solarzellen erhoffen wir uns von anorganischen Materialien auch eine deutlich bessere Stabilität. So ist SnIP beispielsweise bis etwa 500°C stabil.«

SnIP Bildquelle: © Viola Duppel / MPI für Festköperforschung, Stuttgart

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Fasern des Halbleitermaterials mit Doppelhelix-Struktur im Mikrometerbereich.

»Ähnlich wie beim Kohlenstoff, wo es das dreidimensional (3D) aufgebaute Material Diamant, das 2D-Material Graphen und die Nanotubes als 1D-Material gibt«, erläutert Professor Nilges, »haben wir hier neben dem 3D-Halbleitermaterial Silizium und dem Phosphoren als 2D-Material nun erstmals ein eindimensionales Material – mit mindestens ebenso spannenden Perspektiven wie sie Kohlenstoff-Nanoröhrchen besitzen.«

Wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen und polymerbasierte Druckfarben können die SnIP-Doppelhelices in Lösungsmitteln wie Toluol suspendiert werden, wodurch sich einfach und kostengünstig dünne Schichten produzieren lassen. »Wir stehen hier aber erst ganz am Anfang der Materialentwicklung,« sagt Daniela Pfister. »Jeder einzelne Verarbeitungsschritt muss erst noch entwickelt werden.«

Die Doppelhelix-Stränge von SnIP liegen rechtsdrehend und linksdrehend vor, weshalb Materialien, in denen nur die eine oder die andere Form enthalten ist, ganz besondere optische Eigenschaften haben müssten. Dies macht sie für die Optoelektronik hoch interessant. Noch ist es allerdings nicht gelungen eine Technik zur Trennung der beiden Formen zu finden.

Theoretische Berechnungen der Wissenschaftler zeigten, dass auch eine ganze Reihe weiterer Elemente solche anorganischen Doppelhelices bilden müssten. Ein umfassender Patentschutz wurde bereits beantragt. Mit Hochdruck arbeiten die Wissenschaftler nun daran, geeignete Herstellungsverfahren für weitere Materialien zu finden.

Für die Charakterisierung des Materials kooperierten große Forschungseinrichtungen: Das Walter Schottky Institut der TU München führte Photolumineszenz- und Leitfähigkeitsmessungen durch, an der Universität Augsburg nahmen theoretische Chemiker Berechnungen vor. Transmissions-Elektronenmikroskopische Aufnahmen machten Forscher der Universität Kiel und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart, Mößbauer-Spektren und magnetische Eigenschaften wurden an der Universität Münster gemessen, Kernmagnetresonanz-Messungen nahm die Universität Augsburg vor und die TU Cottbus führte thermoanalytische Messungen durch.