Nano-Lego für 3D-Strukturen

In jedem Computer­chip verbergen sich nano­strukturierte Schalt­kreise. Doch die zur Herstellung genutzten litho­grafischen Verfahren sind für viele ein­fachere Anwen­dungen von Nano­strukturen zu aufwendig und teuer. Eine Alter­native ent­wickelten nun Atikur Rahman und seine Kollegen vom Brook­haven National Labora­tory in Upton. Sie nutzten die Selbst­organisation von Block-Copolymeren, um komplexe, drei­dimensionale Nano­strukturen herzu­stellen. Diese Nano-Lego-Methode hat das Poten­zial, um in Zukunft fili­grane Nano­strukturen für die Opti­mierung von Membranen, Sensoren oder gar Akkus, Solar­zellen und medizi­nischen Implan­taten günstiger zu produ­zieren.

„Die Methode gab uns eine unerwar­tete Kontrolle. Wir können nun einzelne Schichten über eine Selbst­organisation über­einander stapeln und so verblüf­fend verschach­telte 3D-Strukturen entwerfen“, sagt Rahman. Zusammen mit seinen Kollegen stellte er eine Vielzahl ver­schiedener Strukturen aus über­einander gestapelten Nano­balken, -zylindern und -säulen mit exakt defi­nierten Hohlräumen zwischen den einzelnen Bauteilen her. Die Durchmesser der Poren rangierten dabei in der Größen­ordnung weniger Nano­meter.

Ihre Methode erprobten sie mit zwei verschie­denen Polymeren: Poly­styrol und Polymethyl­methacrylat (PMMA). Aufgebracht auf einen Sili­zium-Träger verbanden sich diese Substanzen zu Block-Copolymeren. Dazu beschich­teten sie Forscher zuerst die saubere Ober­fläche mit einer flüssigen Kunststoff­masse. Nach einem kurzen Aufheizen auf bis zu 220 Grad Celsius verknüpften sich die Polymer­ketten beispiels­weise zu gleich­förmigen Nanobalken an. Diese Schicht setzten sie darauf in eine Atmosphäre aus Trimethyl­aluminium. Diese Metall­verbindung infil­trierte die Polymere, reagierte zu stabilem Aluminium­oxid und stabi­lisierte so die Struktur.

Auf dieser ersten Nanolage konnten nun abermals Polymere deponiert werden, die sich wieder selbst­ständig zu einer Nano­Struktur verknüpften. Abhängig von der Polymer­mischung und der Struktur der Unterlage erstanden so Strukturen verschiedener Geo­metrien, die über das infil­trierte Aluminium­oxid stabilisiert wurden. Da sich dieser Prozess mehrere Male hinter­einander wiederholen ließ, konnten die Forscher fast beliebig komplexe Nano­strukturen aufbauen. Diese wurden zum Abschluss einem Sauerstoff-Plasma ausgesetzt, wodurch alle Polymer­bestandteile verascht wurden. Zurück blieb ein drei­dimensionales, nano­strukturiertes Probestück aus Aluminiumoxid.

Den filigranen Aufbau der Strukturen über­prüften Rhaman und Kollegen an der Ober­fläche mit einem Raster­elektronen­mikroskop. Einen Einblick in tiefere Schichten erhielten sie über Röntgen­beugungs­Messungen. Diese Aufnahmen bestätigten die Vielfalt der mög­lichen Nano­strukturen von sym­metrisch gesta­pelten Blöcken bis hin zu komplex gewundenen und lamellen­förmigen Geo­metrien.

„Diese Methode der Selbst­organisation ist günstig und auf größere Mengen skalier­bar“, sagt Rahmans Kollege Gregory Doerk. „Ganz ohne kompli­zierte Verfahren, die sonst nötig wären, können wir nun präzise Nano­strukturen fertigen.“ In kom­menden Versuchen könnte diese Methode nach den viel­versprechenden Resultaten mit Polymeren als Gerüstmaterial und Aluminium­oxid als stabi­lisierender Werkstoff auch auf weitere Substanzen ausge­weitet werden. So ließen sich in Zukunft nicht nur nano­poröse Membranen etwa für Akkus oder Sensoren, sondern auch beispiels­weise elektrisch leitende oder halb­leitende Nano­strukturen in schnellen und verglichen mit litho­grafischen Verfahren güns­tigeren Prozessen produzieren.

Jan Oliver Löfken

JOL