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3D-Drucker für Nanostrukturen

Ein 3D-Drucker, aber für Nano-Strukturen! Diesem Ziel sind Forscher am Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz (ZFE) ein entscheidendes Stück näher gerückt. Basierend auf ihren Experimenten und in Kooperation mit amerikanischen Kollegen an den Oak Ridge National Laboraties und der University of Tennessee ist es erstmals gelungen, eine Software für die Herstellung komplexer, freistehender 3D-Architekturen zu entwickeln. Die Einzelstrukturen haben dabei Durchmesser von weniger als 25 Nanometern, wodurch sich völlig neuartige Möglichkeiten im Bereich der 3D Nanotechnologie ergeben.

Robert Winkler und Harald Plank (ZFE)

Die Technik

Um Nano-Strukturen mit einer solch winzigen „Größe“ schreiben zu können, benötigt man ein besonders ausgestattetes Elektronenmikroskop, wie es der Arbeitsgruppe „Functional Nanofabrication“ um Ass.Prof. Dr. Harald Plank am FELMI-ZFE in Graz zur Verfügung steht. Die Spezialtechnik nennt sich „Focused Electron Beam Induced Deposition“ kurz FEBID: Dabei wird ein einströmendes Precursor-Gas punktgenau vom Elektronenstrahl aufgespalten und bleibt an diesen Stellen als Abscheidung zurück. Während üblicherweise flache Abscheidungen hergestellt werden, können durch geschickte Führung des fokussierten Elektronenstrahls freistehende Nanostrukturen gebaut werden. Je nach Precursor-Gas-Typ bestehen diese aus verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Platin, Gold, Wolfram, Kohlenstoff, u.a., um unterschiedliche Eigenschaften der Strukturen zu ermöglichen.

Freistehende 3-dimensionale Nanostrukturen

Was sich im Prinzip relativ einfach anhört, erweist sich in der Praxis als komplizierte Herausforderung: Der Herstellungsprozess hängt nämlich von unzähligen Einflussfaktoren ab. Deshalb konnten in den letzten Jahren kaum nennenswerte Fortschritte hinsichtlich komplexer, freistehender 3-dimensionaler Strukturen erzielt werden. Dank der systematischen Grundlagenarbeit gelang es am ZFE, das stabile Prozessfenster für zuverlässige 3-dimensionale Abscheidungen herauszufiltern, um komplexe 3D-Nanoarchitekturen herzustellen (siehe Bild 1).

Vom Experiment zur Simulation 

„Obwohl die Herstellung sehr verlässlich möglich ist, benötigt jede neue Geometrie zeitaufwendige Vorarbeiten und darauf basierende Berechnungen zur korrekten Steuerung des Elektronenstrahls“, so Harald Plank vom ZFE. Um diese Situation entscheidend zu vereinfachen, wurde in Kooperation mit Forschern der Oak Ridge National Laboratories und der Universität Tennessee (USA) eine Monte-Carlo Simulation zum Abscheidevorgang entwickelt, welche auf den Grundlagenergebnissen aus Graz basieren. Eine benutzerfreundliche CAD-Software kann nun über die im Hintergrund laufende Simulation die passende Strahlführung für beliebige Strukturen berechnen (siehe Bild 2). „Dadurch ist es nun erstmals möglich, mit dem gewünschten Design zu starten und dieses nach der Simulation mit enorm hoher Präzision direkt herzustellen“, freut sich Projektleiter Harald Plank. Die Ergebnisse wurden kürzlich im hochrenommierten Fachjournal ACS Nano veröffentlicht.

Anwendung 

Die präzise Herstellung derartiger freistehenden 3D-Strukturen war bisher in dieser Größenskala undenkbar, dementsprechend unabsehbar aber auch vielversprechend sind die möglichen Anwendungsgebiete. Ein weiterer großer Vorteil gegenüber anderen Nanofabrikationstechnologien ist die genaue Auswahlmöglichkeit der Abscheidestelle, unabhängig von Material und Oberflächenbeschaffenheit der Probe.
Erste Experimente an komplexen FEBID-Strukturen am FELMI-ZFE konnten bereits deren plasmonische Aktivität nachweisen. Des Weiteren läuft derzeit ein gemeinsames Projekt mit der in Wien ansässigen Firma GETec Microscopy zur Realisierung von elektrischen und thermischen Messmethoden über Rasterkraftmikroskopie mit 3D-Nanoprinting als Basistechnologie. Zusätzlich bestehen zahlreiche Ideen bezüglich magnetischer Materialien und optischer Effekte an diesen Strukturen, die kleiner als die Wellenlänge von Licht sind. Durch diesen Durchbruch kann diese Technologie als 3D Drucker betrachtet werden … nur eben für enorm kleine Strukturen (siehe Bild 3)!

ZFE ist Mitglied des Forschungsnetzwerks ACR - Austrian Cooperative Research.

Links

Publikation:
Simulation-Guided 3D Nanomanufacturing via Focused Electron Beam Induced Deposition, J. D. Fowlkes, R. Winkler,  B.B. Lewis, M.G. Stanford, H. Plank, P.D. Rack, ACSNano, DOI: 10.1021/acsnano.6b02108

www.felmi-zfe.at

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