Antennen für Licht
Nanostrukturen mit präziser und effizienter Methode in vielfältigen Formen und Materialkombinationen herstellen.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart haben eine Methode entwickelt, Materialen mit sehr unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften zu vielfältigen Nanostrukturen mit ungewöhnlichen Formen zu kombinieren. Auf einer gekühlten und drehbaren Scheibe züchteten sie aus dem Dampf der Komponenten unter anderem Antennen für sichtbares Licht. Das Verfahren präpariert die Strukturen nicht nur exakter als bisherige Methoden, mit ihm lassen sich in kurzer Zeit parallel auch mehrere Milliarden Nanoelemente produzieren.
Abb.: Nanostrukturen aus der Parallelproduktion: Mehrere 100 Milliarden Helices, aber auch Haken oder Zickzack-Strukturen lassen sich mithilfe der Dampfabscheidung auf einem vorstrukturierten Wafer erzeugen (a). Ultraschall entfernt die Nanobauteile von dem Träger, sodass sie in eine Lösung gebracht werden können (b). Form und Abmessungen der Strukturen lassen sich sehr exakt kontrollieren (c,d; Bild: A. G. Mark)
„Wir haben einen vielseitigen, präzisen und effizienten Prozess entwickelt, in dem sich dreidimensionale Nanostrukturen aus verschiedenen Materialien nach Maß fertigen lassen“, sagt Peer Fischer, Leiter der Forschungsgruppe. „Bislang ließen sich Strukturen unter hundert Nanometern nur in sehr symmetrischen, vor allem kugeligen Formen erzeugen.“
Mit ihrer neuen Methode stellten die Wissenschaftler nanoskopische Stäbchen, Haken, Schrauben und Zickzack-Strukturen her und verarbeiteten dabei Materialien mit sehr unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, wie Metalle, Halbleiter, magnetische Materialien und Isolatoren. Als ein Beispiel für mögliche Anwendungen produzierten sie Helices aus Gold, die sich als Nanoantennen für Licht eignen. Welche Lichtfarbe die Antennen absorbieren, lässt sich über deren Form und Zusammensetzung steuern. Sie könnne auch zirkular polarisiertes Licht filtern, das etwa der Projektion von 3D-Filmen dient.
Die genaue Kontrolle über Form und Zusammensetzung der Nanobauteile gelingt den Stuttgarter Forschern mit einer neuen Methode, die es auch ermöglicht, in rund einer Stunde mehrere hundert Milliarden Exemplare einer komplexen Struktur zu produzieren: Mithilfe der seit einigen Jahren bekannten mizellaren Nanolithographie platzieren sie zunächst Milliarden regelmäßig angeordneter Goldnanopartikel auf der Oberfläche eines Silizium- oder Glaswafers: Sie scheiden von einer Polymermembran umhüllte Goldteilchen auf dem Träger ab, die sich dort dicht an dicht zu einem regelmäßigen Muster anordnen. Nachdem die Materialwissenschaftler die Polymerhülle mit einem Plasma zerstört haben, bleiben die Goldpunkte zurück. Nun stellen sie den vorstrukturierten Wafer schräg in den Strom etwa eines Metalldampfes, dass die Metallatome nur die Goldinseln sehen und sich darauf absetzen. So wachsen rasch Stäbchen auf dem Träger, die bis zu 20 Nanometer dünn sein können.
Wenn die Forscher den Träger während des Aufdampfens langsam drehen, windet sich das Stäbchen zu einer Helix. Kippen sie den Träger abrupt, bildet sich eine Zickzackform. Wenn sie zwischendurch das Material ändern, das sie in die Kammer dampfen, entsteht ein Verbundmaterial. Und natürlich können sie all diese Kniffe auch kombinieren. So versahen sie etwa Stäbchen aus Aluminiumoxid mit Kupferhaken, wobei ihnen eine dünne Titanschicht als eine Art Kleber diente.
„Größere Strukturen werden auf ähnliche Weise bereits seit längerem hergestellt“, erklärt Andrew Mark vom MPI für Intelligente Systeme. „Bislang ließ sich die Methode jedoch nicht auf Nanostrukturen übertragen.“ Denn auf der Oberfläche eines Nanogebildes gruppieren sich die heißen und beweglichen Atome, die gerade aus dem Dampf kommen, schnell zu einer kugeligen Form um, weil diese Anordnung für die Atome energetisch am günstigsten ist. Damit dies nicht passiert, kühlten die Wissenschaftler das Trägermaterial mit flüssigem Stickstof auf etwa minus 200 Grad Celsius ab, sodass ein Atom schockgefroren wird und in seiner Position erstarrt, sobald es auf die Spitze des wachsenden Nanokörpers kommt.
Nicht alle Formen lassen sich mit der neuen Methode erzeugen. Ringe sowie geschlossene Drei- oder Vierecke sind ausgeschlossen, weil die Struktur immer vom Wafer weg wächst. Dennoch stehen zahlreiche Möglichkeiten offen: „Unser langfristiges Ziel ist es, Nanomaschinen zu bauen“, sagt Peer Fischer. „Die Natur baut Motoren in einer Größe von etwa 20 Nanometern. Wir möchten unsere Bauteile an solche Motoren koppeln.“
MPG / AH
