Ionenstrahlen lassen Nano-Drähte wachsen

Physiker aus Dresden-Rossendorf können Nano-Drähte direkt bei der Herstellung in ein beliebiges Material implantieren.

Ein menschliches Haar ist 2000-mal dicker als der Draht mit 10 bis 20 Nanometern Durchmesser, wie ihn Physiker im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) herstellen können. Das Besondere an diesem Nano-Draht: er wächst nicht als „Haarknäuel“ auf einer Materialoberfläche, sondern kann direkt mit schnellen geladenen Atomen in ein beliebiges Material implantiert werden. Die Atome sind dabei gleichzeitig Werkzeug und Stoff, aus dem der Draht wächst.

Nano-Drähte werden für technische Anwendungen der Zukunft in der Nano-Elektronik und Nano-Optik eine wichtige Rolle spielen. Nano-Drähte könnten etwa die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Strukturen vorantreiben oder die Datenübertragung mit Licht verbessern. Nano-Technologien spielen zwar für die Produkte der Mikroelektronik-Industrie bereits eine gewisse Rolle, doch sind heute vornehmlich Nano-Technologien auf chemischer Basis, etwa zur Beschichtung und Versiegelung von Oberflächen, im Einsatz.

Abb.: Nanodraht mit einem Durchmesser von ~50 Nanometer mit integrierten 200x200 nm ² Kontaktflächen. (Quelle: FZD)

Wie gelingt aber nun den Physiker im FZD die Herstellung von Nano-Drähten. Lothar Bischoff erläutert die Vorgehensweise so: „Mit der Technik des fein gebündelten Ionenstrahls haben wir eine Art Nano-Werkzeug zur Verfügung, mit dem es mühelos gelingt, die Materialoberfläche bis in eine Tiefe von 50 Nanometern zu bearbeiten und in dieser Tiefe die Atome zu deponieren, in der sich später der Nano-Draht bildet. Dabei gelingt es uns, den Ausgangspunkt des Drahtes und die Länge exakt zu bestimmen. Die Probe wird dann aufgeheizt und selbstorganisierende Keimbildungs- und Wachstumsprozesse führen zur Bildung des endgültigen Nano-Drahtes.“

So ist es jetzt gelungen, Nano-Drähte mit Durchmessern von 10 bis 20 Nanometern und in Längen von bis zu 10 Mikrometern herzustellen. Der Herstellungsprozess besteht aus 2 Schritten: Zunächst bedampft man die Rückseite einer Silizium-Scheibe mit einem dünnen Kobaltfilm. Anschließend werden mit dem fein gebündelten Ionenstrahl Ionen in die Vorderseite der Silizium-Scheibe implantiert, wo diese gezielt Kristalldefekte erzeugen, die quasi als Keimlinge für das Wachstum der Nano-Drähte fungieren. Während eines nachfolgenden Temperschrittes entsteht im Ergebnis ein Kobaltdisilizid-Draht im Silizium-Wafer, dem gängigen Ausgangsmaterial zur Produktion von Chips für die Mikroelektronik-Industrie. Dieses Kobaltdisilizid ist ein geeignetes Material für die Silizium-Technologie: es ist dem Silizium in seiner Gitterstruktur sehr ähnlich und weist zudem eine sehr gute Leitfähigkeit auf, sodass der Einsatz von Kobaltdisilizid-Drähten als Elemente von elektronischen Strukturen oder für die „Verdrahtung“ zwischen Bauelementen denkbar ist.

Ein weiterer Vorteil der Ionenstrahl-Technik ist, dass in verschiedene Materialoberflächen Nano-Drähte aus unterschiedlichen Ionen-Sorten – wie Gold oder Platin – implantiert werden können. Hierfür ist langjähriges Know-how für den Einsatz von fein fokussierten Ionenstrahlen (im Fachjargon „Focussed Ion Beam“, abgekürzt FIB) notwendig, das im FZD vorliegt. Die Forschungsergebnisse wurden jüngst in der Zeitschrift „Applied Physics Letters“ veröffentlicht.

Quelle: Forschungszentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  C. Akhmadaliev, B. Schmidt, L. Bischoff, Defect induced formation of CoSi ₂ nanowires by focused ion beam synthesis, Applied Physics Letters 89, 223129 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2400068
• Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung:
  http://www.fzd.de/db/Cms?pNid=141
• Forschungszentrum Dresden-Rossendorf:
  http://www.fzd.de