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Neue
Technologien: Nanotechnologie
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Nanotechnologie |
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Nanotechnologie |
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Nanotechnologie
- Mit perfekten Spitzen inneren Spannungen auf der Spur
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Forschung an der Empa - Eidgenössische Materialprüfungs-
und Forschungsanstalt
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| Wir
erwarten sie so selbstverständlich wie Sonne im Sommer: von Jahr zu
Jahr leistungsfähigere Computer, Mobiltelefone mit noch mehr Funktionen,
kleinere MP3-Player. Im Herzen der Hightech sitzen Siliziumchips mit winzig
kleinen Schaltkreisen. Um die Qualität der Chips zu überprüfen,
kommen optische Methoden wie die Ramanspektroskopie zum Einsatz.
Eine
bedeutende Verbesserung der Spektroskopie-Technik gelang nun dem Empa-Werkstoffingenieur
Johann Michler und seinem Team. Mit KollegInnen vom Max-Planck-Institut
für Mikrostrukturphysik in Halle konstruierten die Empa-Forscher eine
Spitze aus Silizium-Nanodrähten, welche die Methode um bis zu 100-mal
präziser macht. Damit werden nun selbst Veränderungen auf molekularer
Ebene - auf einem Chip etwa - sichtbar. |
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Eigenschaften
von Werkstoffen im Nanometerbereich zu analysieren, ist eine Spezialität
der neuen Empa-Abteilung Werkstoff- und Nanotechnik in Thun. Das Team von
Johann Michler erforscht die innere Struktur von Festkörpern mit Hilfe
der so genannten spitzenverstärkten Ramanspektroskopie: Ein Laserstrahl
tastet die Oberfläche einer Probe ab und bringt Moleküle darin
zum Schwingen. Dabei absorbieren die Moleküle einen Teil des Lichtes
- um ihn später wieder abzustrahlen. Diese «Raman-Streuung»
ist einzigartig für viele chemische Substanzen und Materialien - sozusagen
ihr optischer Fingerabdruck. Daraus lässt sich zum einen ableiten,
woraus die Probe besteht; zum anderen, ob sie fehlerhaft ist oder ob im
Innern mechanische Spannungen vorliegen.
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Lokal
verstärkter Laserspot macht Moleküle sichtbar
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Bislang
sahen sich Forscher wie Michler und seine Kollegin Silke Christiansen vom
Max-Planck-Institut in Halle jedoch mit einem Problem konfrontiert. Damit
bei der Spektroskopie mechanische Spannungen in kleinsten Bauteilen detektiert
werden können, muss lokal der Laserspot verstärkt werden. Dazu
dient eine metallische Spitze, hergestellt idealerweise auf den Nanometer
genau in der nötigen Grösse und Form - bis dato eine technische
Unmöglichkeit. Deshalb war die Messung nicht empfindlich genug, um
eine Kontrolle der Materialien auf der Nanometerskala zu ermöglichen
und feinste Materialfehler zu entdecken.
Schon
seit Jahrzehnten stehen Wissenschaftler vor der Frage: Wie lassen sich
mit Hilfe von Laserstrahlen Moleküle sichtbar machen? Die Wellenlängen
des Lichtspektrums von Lasern reichen bis zu einem Mikrometer (oder 1000
Nanometer). Moleküle hingegen sind nur wenige Nanometer gross und
können daher von derartigen Lichtwellen nicht einzeln sichtbar gemacht
- das heisst aufgelöst - werden. Einen Weg, die Lichtwellen «auszutricksen»,
fand 1974 der US-Chemiker Martin Fleischmann, dessen optische Experimente
unter anderem die Ramanspektroskopie revolutioniert haben. Er entdeckte,
dass eine gold- oder silberbeschichtete runde Spitze das Licht des Laserstrahls
effizient in Moleküle oder Kristalle koppeln kann. Dadurch wird die
Raman-Methode deutlich empfindlicher; theoretisch lassen sich auf diese
Weise selbst einzelne Moleküle nachweisen.
In
der Praxis ist allerdings bis heute die Feinheit der Spitzen das limitierende
Element für eine hohe Auflösung. Das aufgesprühte Gold erstarrt
nämlich in den verschiedensten Formen. Dadurch gerät die Spitze
jedes Mal ein wenig anders in Grösse und Form. «So eine Spitze
schaut unter dem Elektronenmikroskop aus wie das Matterhorn», sagt
Michler. Um aber mit einer räumlichen Präzision im Nanometerbereich
zu verfolgen, wie sich beispielsweise ein mikroelektronisches Bauteil im
Lauf der Zeit verändert, muss auch die Spitze auf den Nanometer genau
identisch sein. Nur dann sind die Messergebnisse vergleichbar.
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Silizium-Nanodrähte
mit einheitlichen Goldköpfchen
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Nun
haben Michler und Christiansen eine neue Methode entwickelt, um die Raman-Spitzen
zu verfeinern: Auf einer Siliziumplatte züchten sie Silizium-Nanodrähte
mit Goldköpfen. Die Nanodrähte wachsen wie die Grashalme eines
Rasens. Im Unterschied zu Gras sind sie jedoch nur einige Mikrometer lang,
mit Durchmessern von wahlweise 25 bis 500 Nanometer. Das Wichtigste ist,
dass alle Drähte eine identische, perfekt runde Goldspitze haben.
Keine Spur von Matterhorn. Eher von der Kuppel des Bundeshauses.
Im
Elektronenmikroskop wird der Nanodraht dann auf einen Halter geschweisst.
«Dadurch sehen wir die Drähte und können genau steuern,
wo wir sie absetzen und montieren», erklärt Stephan Fahlbusch,
der Spezialist für Nanowerkzeuge in Michlers Team. Per Joystick fahren
er und sein Kollege Samuel Hoffmann den Halter an einen der Nanodrähte
heran. Ein knapper Ruck am Joystick und der Draht klebt an der Spitze.
Mit einem Elektronenstrahl wird er festgeschweisst. Nun kann Fahlbusch
die Spitze für die Nano-Ramanspektroskopie einsetzen. Wie empfindlich
die neue Methode misst, zeigt der Test bei den Kollegen in Halle:
Die Spitze wird über eine molekulare Schicht von Malachitgrün
gefahren. Obwohl nur einzelne Farbstoffmoleküle auf dem Träger
liegen, liefern sie ein eindeutiges Raman-Signal. Damit ist die Auflösung
hoch genug, um zum Beispiel Veränderungen der inneren mechanischen
Spannungen von Halbleitern zu messen. Diese sind wichtig, da sie auf Defekte
und Materialermüdungen hinweisen.
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Automatisierung
als nächster Schritt
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Michlers
Methode, Nanospitzen für die Ramanspektroskopie zu produzieren, ist
ein gewaltiger Fortschritt - vor allem für das EU-Projekt Nanohand,
in dem die Empa seit 2006 gemeinsam mit Partnern aus Frankreich, Deutschland
und der Schweiz forscht. Ziel ist die Konstruktion eines Nanoroboters für
die Halbleiter-Industrie. Der Roboter soll dereinst in der Lage sein, miniaturisierte
Proben auf einer Plattform im Rasterelektronenmikroskop zu handhaben und
die Spitzen ohne menschliche Hilfe herzustellen. Durch eine automatisierte
Herstellung - und die damit verbundenen geringeren Kosten - liesse sich
auch das Einsatzgebiet der Nanospitzen erweitern, beispielsweise in der
chemischen Analytik. So könnten etwa Kriminalistik oder Krankenhaushygiene
vom Potenzial der Nanomanipulation profitieren, wenn in Zukunft ein einzelnes
Kokainmolekül auf der Jacke den Verdächtigen überführt
oder ein einzelnes todbringendes Bakterium die lebensrettende Quarantäne
auslöst.
| Quelle:
Empa - Materials Science & Technology - Eidg. Materialprüfungs-
und Forschungsanstalt 2007 |
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