Goldkettchen in Nanogröße

Ein neues Laserverfahren eignet sich zur Oberflächenstrukturierung mit winzigen Goldkügelchen.

Es gibt Goldketten, die versetzen keinen Schmuckliebhaber in Verzückung. Weder kann man sie sich umhängen noch mit bloßem Auge sehen. Die Goldkugeln, mit denen die Chemiker Eckart Hasselbrink und Nils Hartmann umgehen, sind nur mit einem Rasterkraftmikroskop zu erkennen. Die Goldkügelchen haben einen Durchmesser von 16 Nanometern und lassen sich mit sehr einfachen Mitteln zu Ketten aufreihen. Solche Goldkettchen könnten einmal der Schlüssel für eine neue Generation von Computerchips werden.

Was die beiden Forscher entwickelt haben, ist ein neues Laserverfahren, mit dem Materialoberflächen - etwa das Halbleitermaterial Silizium - noch präziser bearbeitet werden können. An solchen Prozessen hat auch die Industrie großes Interesse. Leistungsfähigere elektronische Schaltkreise herzustellen, setzt nämlich die Möglichkeit voraus, auf dem Trägermaterial immer kleinere Strukturen erzeugen zu können, und das funktioniert nur durch immer genauere Verfahren.

„Wir schreiben mit einem fokussierten Laser auf einem beschichteten Stück Silizium ähnlich wie mit einem Stift auf einem Blatt Papier“, erklärt Nils Hartmann, der diese Arbeiten leitet. Der Laserspot, mit dem die Forscher auf der Oberfläche der Siliziumproben schreiben, hat eine Größe von zweieinhalb Mikrometern. „Die Proben mit einem Laserspot dieser Größe zu bearbeiten, ist an sich keine große Kunst“, führt Hartmann aus. „Das Besondere ist vielmehr, dass die Strukturen, die wir erzeugen, noch um ein Vielfaches kleiner sind als der Laserspot selbst, nämlich deutlich unterhalb von 100 Nanometern. Das ist ungefähr so, als wenn Sie mit einem Filzstift, der eigentlich einen 10 Millimeter dicken Strich macht, technische Zeichnungen anfertigen, deren Linien dann weniger als einen halben Millimeter breit sind.“

Um das zu ermöglichen, stellen die Chemiker der Uni Duisburg-Essen zuerst eine besonders stabile, ultradünne Beschichtung auf der Siliziumprobe her: Sie erwärmen das Silizium im Bereich des Laserspots, strukturieren die Schicht jedoch nur dort, wo die höchsten Temperaturen erreicht werden, also im Zentrum des Laserspots.

In weiteren Schritten wird die Beschichtung dann chemisch verändert, um die winzig kleinen Goldkugeln anbinden zu können. Hierzu werden die Proben in eine Lösung dieser Gold-Nanopartikel eingetaucht. In den strukturierten Bereichen ordnen sich die Goldkugeln dabei in Form von Ketten an. „Solche metallischen Nanostrukturen sind hochinteressant, da sie besondere elektronische und optische Eigenschaften besitzen“, sagt Hartmann. „So könnten sie beispielsweise als miniaturisierte Lichtleiter zur ultraschnellen Datenübertragung in neuartigen Computerchips eingesetzt werden. Auf dem Weg dorthin sind natürlich noch viele Fragen zu klären und Aufgaben zu lösen. Dennoch freuen wir uns, dass wir jetzt ein einfaches Verfahren zur Hand haben, um diesen Dingen nachzugehen.“

Die Arbeit wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die BASF Coatings AG finanziell unterstützt.

Quelle: Universität Duisburg-Essen

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Daniel Dahlhaus, Steffen Franzka, Eckart Hasselbrink und Nils Hartmann: 1D Nanofabrication with a Micrometer-Sized Laser Spot, Nano Letters 6(10); 2358 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1021/nl061608u
  http://www.phchem.uni-essen.de/photochem/preprints/Dahlhaus_001.pdf (Preprint, frei!)
• Arbeitsgruppe von Eckart Hasselbrink:
  http://www.phchem.uni-essen.de/photochem/photochem_d.shtml