{{{sourceTextContent.title}}}

3D-Druck zur direkten Herstellung von Nanostrukturen

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Forscher der TU Graz entwickeln die Technologie weiter, so dass komplexe dreidimensionale Nanostrukturen auf eine kontrollierte und vorhersagbare Weise hergestellt werden können.

{{{sourceTextContent.description}}}

Im Christian-Doppler-Labor für die Direktbeschriftung von 3D-Nanosonden widmen sich Wissenschaftler der Technischen Universität Graz den Grundlagen des 3D-Nanodrucks, um seine Möglichkeiten über die heutigen Grenzen hinaus zu erweitern, und zwar mit der fokussierten elektronenstrahlinduzierten Abscheidung (FEBID), die bereits erfolgreich bei der Herstellung komplexer, aber oft flacher Nanostrukturen eingesetzt wird.

Das Forschungsteam des Christian-Doppler-Labors hat die Technologie so weiterentwickelt, dass selbst komplexe dreidimensionale Nanostrukturen hochgradig kontrolliert und vorhersehbar hergestellt werden können. Neben der Herstellung neuer Strukturen ermöglicht das Verfahren auch die Modifikation bereits fertiger Mikro- und Nanokomponenten. Die einzelnen, nanometerdünnen Schichten, die schließlich die 3D-Architekturen bilden, haften an nahezu jeder Material- und Oberflächenmorphologie. Das spart Zeit, da FEBID keine Vor- oder Nachbehandlung der Proben erfordert und auch die Herstellung auf unebenen oder rauen Oberflächen ermöglicht.

"Diese Art des 3D-Nanodrucks eröffnet Wissenschaft und Industrie völlig neue Spielplätze", sagt Harald Plank vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalyse der TU Graz und Leiter des Christian-Doppler-Labors. "Mit der neuen Technologie können zukünftige Herausforderungen gemeistert werden, die mit alternativen Nanofabrikationsmethoden wie der Elektronenstrahl-Lithographie kaum möglich sind. "Mit diesem Verfahren wäre es auch möglich, 3D-Nanostrukturen auf einer Bleistiftspitze in einem Schritt herzustellen, was mit alternativen Technologien sehr schwierig ist."

Wie die 3D-Nanodrucktechnologie funktioniert

Das neue Verfahren wird in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern GETec Microscopy (Wien) und Anton Paar GmbH (Graz) im Bereich der Rasterkraftmikroskopie zur Herstellung von funktionellen Nanosonden mit Apexradien von weniger als zehn Nanometern eingesetzt.

"Der Druckprozess findet in der Vakuumkammer von Elektronenmikroskopen statt. Die Funktionsgase werden mit einer feinen Kapillare in unmittelbarer Nähe der Probe eingeleitet. Die gasförmigen Moleküle adsorbieren dann an der Oberfläche und werden durch den fokussierten Elektronenstrahl chemisch abgebaut und immobilisiert - sie bleiben durch Wechselwirkung mit den Elektronen an Ort und Stelle", erklärt Plank. "Sie können sich vorstellen, dass der 3D-Nanodruck wie ein Kugelschreiber funktioniert. Der Elektronenstrahl wirkt wie eine Kugelschreibermine und das Gas ist die Tinte."

Plank und sein Team ließen sich von Legosteinen für den Druck schräger Strukturen inspirieren: "Um eine geneigte Architektur mit Lego zu bauen, muss die nächsthöhere Ziegelschicht immer seitlich verschoben werden. Genau das haben wir auf den 3D-Nanodruck übertragen: Bevor wir die nächste Schicht auftragen, verschieben wir den Elektronenstrahl und drucken buchstäblich diagonal nach oben."

Erfolgreiche Implementierung

In den letzten 20 Monaten konnte das Christian-Doppler-Labor den ersten Proof-of-Principle liefern; FEBID wurde erfolgreich für die Herstellung von elektrisch leitfähigen Nanosonden eingesetzt, deren Leistung deutlich höher ist als die von alternativen, kommerziell verfügbaren Produkten.

Plank und sein Team sind mit dem Ergebnis zufrieden: "Die Kleinserienproduktion wird in den kommenden Monaten in Wien starten und dem Industriepartner GETec Microscopy neue Möglichkeiten eröffnen."

Internationale Zusammenarbeit

Damit das neue Verfahren keine Nischentechnologie bleibt, entwickeln die Forscher im Christian-Doppler-Labor derzeit eine neue Software für den FEBID-basierten 3D-Nanodruck, die die Herstellung komplexer Nanostrukturen auch ohne große Vorkenntnisse ermöglicht. Dazu arbeiten Plank und seine Arbeitsgruppe mit den Oak Ridge National Laboratories und dem Institut für Physik der Goethe-Universität Frankfurt zusammen. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Projekts ist die Ausweitung des Prozesses auf 3D-Oberflächen und Multimaterialstrukturen, was die Designflexibilität und damit die Relevanz dieser Technologie in Forschung und Entwicklung weiter erhöht.

Das Christian Doppler Labor für die direkte Herstellung von 3D-Nanosonden ist im Fachgebiet Advanced Materials Science, einem von fünf strategischen Schwerpunkten der Technischen Universität Graz, verankert.