Neues Backrezept für UV-Sensoren
Kieler Forscher finden einen einfachen Weg zur Herstellung von Zinkoxid-Nanostrukturen.
UV-Licht-Sensoren verrichten nicht nur in Brandmeldern und Wasseraufbereitern einen wichtigen Dienst, auch in vielen anderen Bereichen steigt die Nachfrage nach ihnen stetig an. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun gelungen, innerhalb weniger Sekunden Nanostrukturen zu „backen“, um damit ultraschnelle Sensoren herzustellen. Das neue Verfahren verzichtet völlig auf teure Geräte und giftige Chemikalien.
Abb.: Schematischer Aufbau der Herstellung von Zinkoxid-Nanostrukturen. Zink-Mikropartikel (graue Kügelchen) wandeln sich in der Flamme im Ofen in Nano-Mikrotetrapoden (Mikroskopieaufnahmen) um. Um die Kontakte auf einem Chip darüber zu verbinden, wird dieser lediglich kurz über die Flamme gehalten. (Bild: Mishra)
Eine der größten Herausforderungen beim Bau eines Sensors mit Nanostrukturen sei es, die kleinen elektrischen Kontakte auf den Chips über extrem winzige Strukturen zu verbinden, die gut auf ultraviolettes Licht reagieren, sagt Dawit Gedamu von der Kieler Arbeitsgruppe „Funktionale Nanomaterialien“. Die meisten der bisher angewendeten Herstellungsmethoden solcher Strukturen wie die chemische Gasphasenabscheidung oder die Dampf-Flüssigkeits-Feststoff-Methode (VLS) funktionieren nur unter speziellen Bedingungen. Katalytische Teilchen, besondere Substrate, komplexe Temperatur- sowie Atmosphärenerfordernisse und viele andere Faktoren spielen hierbei eine Rolle. Darüber hinaus ist ein weiterer aufwändiger Schritt nötig, um die erzeugten Nanopartikel in einen Chip einzufügen. Hinzu kommt, dass es bei den verwendeten Halbleitern, unter anderen Silicium und Galliumnitrid, an der Lichtempfindlichkeit hapert, und solche Sensoren in rauen Umgebungen nicht reagieren.
„Äußerst vielversprechend“ für verschiedene Anwendungen hingegen seien Sensoren, die auf Zinkoxid basieren, sagt Yogendra Kumar Mishra, Hauptautor der neuen Studie. „Zinkoxid-Nanostrukturen sind wegen ihrer UV-Lichtempfindlichkeit und ihren elektrischen und mechanischen Eigenschaften sehr interessant für multifunktionale Anwendungen“, so Mishra. Außerdem ist das Material vergleichsweise günstig und die Partikel einfach herzustellen. Zink als Mineralstoff ist sogar lebenswichtig für den menschlichen Organismus, was die Nano-Mikrostrukturen auch für die Biomedizintechnik interessant macht.
Abb.: Schneelandschaft im Ofen beim Herstellungsverfahren von Zinkoxid-Nanostrukturen (Bild: Schimmelpfennig / CAU)
Die Forschenden verbanden die Elektroden auf einem Chip über zusammenhängende vierarmige Zinkoxid-Kristalle. Diese Nano-Tetrapoden, deren Arme sich gegenseitig durchdringen, stellten sie in einem einfachen Brennofen mittels einer neuen und so genannten Flammentransport-Synthese her. Lediglich hohe Temperaturen unter normalen Bedingungen braucht es, um aus den Zink-Mikropartikeln Nano-Mikrotetrapoden zu erhalten. Der Chip wird dann nur kurz über die Flamme gehalten: „Die Methode erlaubt uns auf diese Weise sogar, die winzigen Zinkoxid-Netzwerke direkt auf einem Chip wachsen zu lassen – und das in Sekundenschnelle!“, berichtet Mishra. Die hohen Temperaturen sorgten dabei für eine dichte Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten und den Nanostrukturen, die die Leistung des Sensors erheblich verbessert.
Der in einem Schritt hergestellte Sensor reagierte innerhalb von Millisekunden auf die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. Darüber hinaus funktionierte er auch in eher rauen Umgebungen. Die einfachen und günstigen Produktionsbedingungen sowie die Verwendung von puren Zink-Mikropartikeln machen die neue Herstellungsmethode aus den Laboren der schleswig-holsteinischen Landesuniversität attraktiv für die Industrie. Einer der nächsten Schritte der beteiligten Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler ist es deshalb, die Nano-Tetrapoden in größerem Stil produzieren zu können.
Kurios bei diesem Erfolg: Die Zinkoxid-Nanostrukturen starteten ihre Karriere als Abfallprodukt bei Experimenten mit der herkömmlichen VLS-Methode. Eines Tages untersuchte Yogendra Mishra die Kristalle, die aussehen wie künstlicher Schnee, unter dem Mikroskop: „Ihre besondere Struktur der sich gegenseitig durchdringenden Arme und ihre Eigenschaften als Lichtdetektoren ließen gleich auf das enorme Anwendungspotenzial schließen“, sagt der Wissenschaftler, der als Stipendiat der Alexander von Humboldt-Stiftung in den folgenden Jahren die Methode entwickelte. Denn um die Nano-Tetrapoden kontrolliert herstellen zu können, musste zunächst das richtige Rezept von Temperatur, Mischungsverhältnis von Zinkpartikel und Polymermatrix und anderen Parametern herausgefunden werden.
CAU / DE
