Nanokristalle auf Knopfdruck

Nanokristalle und Quantenpunkte lassen sich aus einer Vielzahl von Materi­alien vom Metall bis zum Verbin­dungs­halb­leiter her­stellen. Zahl­reiche Experi­mente zeigten bereits, dass Nano­kristalle die Effi­zienz von Solar­zellen, Leucht­dioden, Strom­speichen, Sensoren oder auch Kataly­satoren drastisch steigern könnten. Um Nano­kristalle schnell und einfach mit mög­lichst großer Kontrolle über Größe und Position herzu­stellen, ent­wickelten jetzt Wissen­schaftler in den USA ein neues Ferti­gungs­ver­fahren.

Der neue Ansatz tauge für die Produktion von kom­plexen Nano­kristall-Legie­rungen und sogar schalen­artig aufge­baute Nano­struk­turen, be­rich­ten Frances Ross vom IBM Thomas J.Watson Research Center und ihre Kollegen von der Prince­ton Uni­ver­sity und der Uni­ver­sity of Cali­fornia in Los Ange­les. Sie kombi­nierten eine elektro­chemische Zelle mit der bereits erprob­ten Methode der Elek­tron­strahl-Litho­graphie und zeigten damit die kon­trol­lierte Pro­duk­tion und auch das steuer­bare Auf­lösen von Nano­kris­tallen bei­­spielhaft an den Metal­len Gold, Kupfer und Nickel.

Eine zwischen 50 und 250 Nanometer flache Flüssig­zelle um­schlossen Ross und ihre Kol­legen beid­seitig mit nur 50 Nano­meter dünnen Schichten aus Silizium­nitrid. Davor setzten sie eine galva­nische Zelle, die sie mit Salz­säure füllten und mit Metall­elek­troden aus dem gewün­schten Material – Gold, Kupfer, Nickel – um­fassten. Abhän­gig vom ange­legten Span­nungs­feld gingen ein­zelne Metall­ionen in Lösung und konn­ten über ein elek­tri­sches Feld durch die flache Flüssig­zelle ge­lenkt werden.

Durch die für Elektronen transparente, hauchdünne Silizium­nitrid­schicht fokus­sierten die Forscher einen stark gebün­delten Elek­tronen­strahl. Abhängig vom Elek­tronen­fluss wurden die ent­hal­tenen Metall­ionen wieder redu­ziert und das Wachstum von Nano­kristallen setzte exakt im Fokus des Elek­tronen­strahls ein. Über verschie­dene Para­meter – Konzen­tra­tion der Metall­ionen, Fokus und Inten­sität des Elek­tronen­strahls – ließ sich die Größe der so erzeugten Nano­kristalle im Nano­meter­bereich kontrol­lieren. Mit einem stark fokus­sierten Elek­tronen­strahl eines Raster­trans­missions­elek­tronen­mikro­skops halten die Forscher auch das kontrol­lierte Wachstum von wenige Nano­meter großen Nano­kristallen für möglich.

Diesen „Schreibprozess“ für Nanokristalle konnten die Forscher auch um­kehren und die erzeug­ten Metall­struk­turen abhän­gig von den ange­legten Span­nungen wieder auf­lösen. In ihren Ver­suchen wieder­holten sie die Erzeu­gung und das Auf­lösen der Nano­kristalle mehrere Male hinter­ein­ander. Parallel kontrol­lierten sie diese Pro­zesse mit Auf­nahmen eines Trans­missions­elek­tronen­mikro­skops.

Mit dieser lithographisch-elektrochemischen Methode könnten prinzi­piell auch Nano­kristall-Legie­rungen aus ver­schie­denen Metallen herge­stellt werden. Sogar das gezielte Wachstum von Kern-Mantel-Nano­kristallen halten Ross und ihre Kollegen für möglich. Doch der experi­mentelle Nach­weis für diese Viel­seitig­keit steht noch aus. Dennoch haben die Forscher mit ihrem Experi­ment die Basis für eine schnelle, kontrol­lierte Pro­duk­tion von metal­lischen Nano­kristallen gelegt. Damit ist es nicht ausge­schlossen, diesen Prozess zu skalieren und für die Ferti­gung effi­zien­terer Strom­speicher, Sensoren, Solar­zellen oder Kata­lysa­toren zu nutzen.

Jan Oliver Löfken

RK