Nanostempel aus amorphen Metallen

   

Von Computerspeichern bis zu biomedizinischen Sensoren: Nanotechnische Geräte gewinnen immer mehr an Bedeutung. Ein amerikanisches Forscherteam hat nun ein neues Verfahren zur Herstellung von Nanostrukturen entwickelt. Es basiert auf Stempeln aus so genannten Metallischen Massivgläsern. Die Wissenschaftler berichten in der aktuellen Ausgabe von "Nature" über ihre Methode. 

Abb.: 35 Nanometer große Strukturen auf einem Stempel aus amorphen Metall. (Quelle: Kumar/Tang/Schroers/Yale University)

"Wir können damit Formen herstellen, die erheblich zuverlässiger und haltbarer sind als Formen aus Silizium", erklärt Jan Schroers von der Yale University in New Haven, der das Team leitet. "Außerdem ist das Verfahren bei der Größe der kleinsten Strukturen nicht durch die typische Körnigkeit limitiert, die man bei den meisten Metallen findet."

Die Entwicklung kosteneffektiver Massenproduktionsmethoden für nanotechnische Geräte ist eine große Herausforderung. Ein viel versprechender Ansatz ist die Nanoprägung. Dabei werden die Strukturen einer harten Form auf thermoplastische Materialien übertragen, typischerweise auf Polymere. Bislang ist es jedoch nicht gelungen, Nanostempel zu entwickeln, die allen Anforderungen genügen. Stempel aus Silizium bieten zwar die Möglichkeit, feinste Strukturen zu übertragen, sind aber wenig haltbar. Metallstempel halten länger, besitzen aber zumeist eine polykristalline Körnigkeit, die es unmöglich macht, Nanostrukturen auf ihrer Oberfläche einzuprägen.    

Wie Schroers und seine Kollegen nun zeigen, bieten Metallische Massivgläser (MMG) einen Ausweg aus diesem Dilemma. Dabei handelt es sich um amorphe Metalle, die bei rascher Abkühlung keine Kristallstruktur ausbilden. Sie wirken von außen zwar wie ein Festkörper, verhalten sich aber - ganz ähnlich wie gewöhnliches Glas - eher wie eine extrem langsam fließende Flüssigkeit. Bereits bei moderaten Temperaturen zwischen 150 und 300 Grad Celsius sind MMGs biegsam und verformbar wie Plastik - und bei normaler Raumtemperatur sind sie stärker und widerstandsfähiger als Stahl.   

"Jetzt ist es uns gelungen, diese ungewöhnlichen Eigenschaften der MMGs zu nutzen, um den Herstellungsprozess von Formen und Prägungen zu revolutionieren", so Schroers, "dieser Prozess hat beispielsweise das Potenzial, die lithografischen Verfahren bei der Produktion von Computerchips abzulösen."

Den Forschern gelang es, Nanostrukturen bis hinab zu 13 Nanometern in erwärmte MMGs auf der Basis von Platin und Gold einzuprägen. Mit solchen Formen aus MMGs können dann die Nanostrukturen auf ein anderes Material übertragen werden. Schroers und seine Kollegen weisen dabei insbesondere auf die Möglichkeit hin, den MMG-Stempel auskristallisieren zu lassen. Dann nämlich sei es möglich, eine Kopie des Stempels aus dem gleichen amorphen Metall zu erzeugen. Auf diese Weise wäre also eine direkte Vervielfältigung einer nanostrukturierten Form möglich.

Neben der direkten Anwendung für Nanoprägungen sehen die Forscher auch die Möglichkeit, dass MMGs sich für die Herstellung wiederbeschreibbarer Speichermedien eignen. Denn solange die MMGs nicht auskristallisiert sind, lassen sich die Strukturen auf ihrer Oberfläche einfach durch Erwärmung wieder löschen. Nach Angabe von Schroers und seinen Kollegen sind mehrere Tausend Schreib- und Löschvorgänge auf dem Material möglich, bevor es auskristallisiert.    

Rainer Kayser


Weitere Infos:

• Originalarbeit:
  G Kumar, H. X. Tang und J. Schroers, "Nanomoulding with amorphous metals", Nature 457, 868 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature07718
• L. J. Guo, "Nanoimprint lithography: Methods and material requirements", Advanced Materials 19, 495 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1002/adma.200600882
• W. L. Johnson, "Bulk glass-forming metallic alloys: Science and technology", Materials Research Society  Bulletin 24, 42 (1999) 
• B. D. Gates et al., "New approaches to nanofabrication: Molding, printing, and other techniques", Chemical Review 105, 1171 (2005)
  http://dx.doi.org/10.1002/chin.200527216
• Yale University:
  http://www.yale.edu/
  

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