Nanodrähte als Sensoren

Nanodrähte sind extrem dünne, langgestreckte Kristalle, die Molekül für Molekül aus verschie­denen Materialien aufge­baut werden können und wegen ihrer besonderen Eigen­schaften zurzeit von zahl­reichen Forschungs­teams welt­weit unter­sucht werden. Die Drähte haben normaler­weise einen Durch­messer von maximal hundert Nano­metern und sind damit etwa tausend­mal dünner als ein mensch­liches Haar. Auf­grund ihrer winzigen Abmessungen besitzen sie eine im Vergleich zum Volumen enorm große Ober­fläche, haben eine sehr geringe Masse und zeichnen sich durch ein fast fehler­freies Kristall­gitter aus. Nano­drähte eignen sich daher besonders gut als winzige Sensoren für biolo­gische und chemische Proben, aber auch als Druck- oder Ladungs­sensoren.

Ein Forschungsteam um Martino Poggio von der Univer­sität Basel zeigt jetzt, dass Nano­drähte auch als Sensoren in Raster­kraft­mikro­skopen zur Erfassung von Kräften verwendet werden können. Wegen ihrer beson­deren mecha­nischen Eigen­schaften vibrieren diese Drähte entlang zweier senk­recht zuein­ander stehender Achsen mit etwa der­selben Frequenz. Wird nun ein Nano­draht in ein Raster­kraft­mikro­skop inte­griert, können die Forscher diese senk­recht zuein­ander stehenden Vibra­tions­ände­rungen, die durch verschie­dene Kräfte ausge­löst werden, messen. Sie nutzen die Nano­drähte damit als winzige mecha­nische Kompass­nadeln, die sowohl die Richtung als auch die Größe der umge­benden Kräfte anzeigen.

Zusammen mit Kollegen von der EPF Lausanne, die die Nano­drähte her­stellen, konnten die Forscher das zwei­dimen­sionale Kräfte­feld über einer struk­tu­rierten Proben­ober­fläche mit dem Nano­draht-Kompass abbilden. Um zu beweisen, dass das Prinzip der Messung erfolg­reich ist, gene­rierten die Forscher mit­hilfe von winzigen Elek­troden auch Test-Kraft­felder und bildeten diese erfolg­reich ab. Die größte tech­nische Heraus­forderung war dabei, ein Gerät zu reali­sieren, das einen Nano­draht über der Ober­fläche scannen kann und gleich­zeitig seine Vibra­tion in zwei senk­recht zuein­ander laufenden Richtungen beob­achtet. Entwickelt wurde daher ein neuer Typ von Raster­kraft­mikro­skop, womit sich dessen viel­fältiger Einsatz noch erweitern lässt. Raster­kraft­mikro­skope besitzen in der Regel Feder­balken aus kristal­linem Silizium als mecha­nische Sensoren. „Wenn wir nun die deut­lich kleineren Nano­drähten ein­setzen, öffnet das die Tür für weitere Verbes­serungen dieser enorm erfolg­reichen Technik“, sagt Poggio.

U. Basel / RK