Elektronenstrahl schreibt Nanostrukturen aus Silber
Neue Methode könnte die Basis für Materialien für die optische Datenverarbeitung legen.
Wenn man besonders feine, präzise Muster auf einer Oberfläche erzeugen will, ist ein Rasterelektronenmikroskop (REM) oft die Methode der Wahl: in einem einzigen Schritt lassen sich komplexe Strukturen direkt mit einem Elektronenstrahl auf einem Substrat abscheiden. Mit Gold, Platin, Kupfer und vielen anderen Metallen ist dies möglich, mit Silber bislang jedoch nicht, obwohl dieses Edelmetall besonders interessante Anwendungsmöglichkeiten verspricht. Einem Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA ist es nun erstmals gelungen, mit der EBID-Methode scharf abgegrenzte Felder aus winzigen Silber-Nanokristallen zu erzeugen.
Abb.: Zehn Mikrometer große flächige Abscheidung mit etwa 100 Nanometer kleinen Silberkristallen unter dem Rasterelektronenmikroskop. (Bild: HBZ / ACS)
Die Herausforderung lag darin, eine geeignete Silberverbindung zu finden und die Injektionseinheit für den Elektronenstrahl zu entwickeln. Dass dies im Falle von Silber besonders schwierig ist, liegt am chemischen Verhalten der typischen Silberverbindungen. Sie sind schwer zu verdampfen und sehr reaktiv. Schon beim Aufheizen in der Injektionseinheit reagieren sie mit den Reservoirwänden. Beim Weg vom Reservoir bis zur Nadelspitze frieren sie bei kleinsten Temperaturabfällen wieder fest und verstopfen die Kanüle.
„Es hat uns viel Zeit und Mühe gekostet, die Injektionseinheit neu zu gestalten und eine geeignete Silberverbindung zu finden“, sagt Katja Höflich, die die Experimente im Rahmen eines Helmholtz-Postdoctoral Fellowship an der EMPA durchgeführt hat. „Aber schließlich haben wir es geschafft. Das von uns verwendete Silber-Dimethylbutyrat bleibt stabil und zersetzt sich nur im Fokus des Elektronenstrahls.“ Das Prinzip beim Schreiben mit Elektronenstrahl: In die Vakuumkammer des REM werden mit einer Nadel geringe Mengen einer Vorläufersubstanz – meist eine metallorganische Verbindung - nah über der Probenoberfläche injiziert. Dort wo der Elektronenstrahl auf die Probenoberfläche trifft, zersetzen sich die Vorläufer-Moleküle und ihr nichtflüchtiger Rest setzt sich an dieser Stelle ab. Der Elektronenstrahl kann wie ein Stift über das Substrat wandern und die gewünschten Strukturen aufschreiben. Dies klappt bei vielen Vorläufersubstanzen sogar in drei Dimensionen.
Die nun von Höflich und ihren Kollegen erzeugten Silbernanostrukturen besitzen besondere optische Eigenschaften: sichtbares Licht regt die freien Elektronen in den Silberstrukturen zu Plasmonen-Schwingungen an. Diese äußern sich durch intensives Leuchten. Aus der Farbe und Intensität des Leuchtens lassen sich Informationen über die Zusammensetzung der Oberflächen ablesen. Mit der Raman-Spektroskopie lässt sich dieser Effekt nutzen, um den Fingerabdruck bestimmter Moleküle nachzuweisen, die an den Silberflächen haften. Sogar einzelne Moleküle lassen sich auf diese Weise nachweisen. Als Sensoren für Sprengstoffe oder andere gefährliche Verbindungen wären Nanostrukturen aus Silber daher gute Kandidaten.
Und auch Anwendungen in der Informationstechnologie sind denkbar: komplexere Silbernanostrukturen könnten die Basis für eine rein optische Datenverarbeitung bilden. Dafür muss es gelingen, das Verfahren zu verfeinern und auch mit Silber solche komplexen Strukturen einzuschreiben, wie es mit anderen Metallen bereits möglich ist.
HZB / JOL
