Blick in die Nanowelt: Mechanische und elektrische Messungen an ZnO-Nanodrähten
In einem aktuellen Paper von F.E.B Anang et al. [1] untersuchen die Forschenden, wie man winzige, senkrecht gewachsene Zinkoxid-(ZnO)-Nanodrähte mechanisch und elektrisch messen kann ohne sie zu zerstören. Zum Einsatz kommen diese Nanodrähte zum Beispiel in der Photonik, in Sensortechnologien oder Solarzellen. Schwerpunkt dieser Forschung ist ihre Bedeutung für die Energiegewinnung.
Abb. 1: (a) Aufbau zur Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien von ZnO-Nanodraht-Arrays mit einem Mikromanipulator. Im FusionScope können bis zu vier Mikrosonden gleichzeitig eingesetzt werden. (b) REM-Aufnahme in 25°-Profilansicht: eine Mikromanipulatorspitze berührt einen ZnO-Nanodraht
- Zuerst wurden mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops (REM) die Form, Größe und Anordnung der Nanodrähte sichtbar gemacht. Dabei zeigten die Drähte eine Länge von rund 52 µm und einen Durchmesser von ca. 0,7 µm, was sie besonders attraktiv für Anwendungen der Energiegewinnung macht.
- Für die mechanische Untersuchung kamen Rasterkraftmessungen (AFM, engl. Atomic Force Microscopy) im Kontaktresonanzmodus zum Einsatz: Das bedeutet, man lässt eine feine Spitze auf den Draht drücken und misst, wie stark sich der Draht unter Druck verhält. Daraus lässt sich ein Indentationsmodul bestimmen. In diesem Fall wurde ein Wert von etwa 122 GPa gemessen – damit fast so hoch wie bei massiven ZnO-Kristallen.
- Für die elektrische und piezoelektrische Charakterisierung wurden Strom-Spannungs-Messungen mit leitfähigen Sonden (z. B. Wolframspitze) direkt auf einzelnen Nanodrähten durchgeführt, um herauszufinden, wie gut diese Strom leiten (man beobachtete überwiegend ohmsches Verhalten).
Die Kombination aus REM, AFM und elektrischer Messung erlaubt es, zu erforschen, wie stark und zuverlässig diese Nanodrähte sind, und wie gut sie in Nanogeneratoren funktionieren könnten.
Ein Schlüsselwerkzeug war hierbei das FusionScope, ein System, das Rasterelektronenmikroskop und Rasterkraftmikroskop direkt in einem Gerät vereint. Dadurch konnten die Forschenden die winzigen Nanodrähte zuerst im REM sichtbar machen und anschließend mit dem AFM an exakt derselben Stelle mechanisch sowie elektrisch testen – eine Präzision, die mit getrennten Geräten unmöglich ist.
