Eine dreidimensionale Weltkarte, die so klein ist, dass 1.000 davon auf ein Salzkorn passen, haben jetzt Forscher von IBM erzeugt. Die in „Science“ vorgestellte Nano-Karte entstand mit Hilfe einer neuen Technik, bei der eine winzige Siliziumspitze, die mit Hitze und Druck kleinste Materialmengen von Oberflächen abträgt und so ein Relief erzeugen kann. Diese Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Chipherstellung, der Optoelektronik und der Medizin.
Immer kleiner werden die Bauteile für Elektronik und andere Anwendungen heute. Doch mit existierenden Technologien wie der Elektronenstrahl-Lithographie ist es extrem schwierig bis unmöglich, Auflösungen unterhalb von 30 Nanometern zu erreichen. In diesem Bereich stoßen herkömmliche Methoden an ihre Grenzen. Gleichzeitig ist der Aufwand, an diesen Grenzen zu arbeiten, extrem hoch, einige Apparaturen füllen ganze Räume.
Siliziumspitze „schmilzt“ Moleküle weg
Dass es auch anders geht, haben jetzt Wissenschaftler des Computerherstellers IBM jetzt bewiesen. Sie erreichten mit einer neu entwickelten Methode Auflösungen von 15 Nanometern und dies zu einem Zehntel der Kosten bisheriger Verfahren. Herzstück der neuen Technologie ist eine winzige, von den IBM-Forschern entwickelte 500 Nanometer lange und wenige Nanometer dicke Silizium-Spitze. Ähnlich wie bei einem Rasterkraftmikroskop ist diese Spitze an einem biegsamen Balken befestigt, der die Höhe und Position der Spitze bis auf den Nanometer genau kontrolliert.
Durch Hitze und Druck kann diese Spitze winzige Substratpartikel aus der Oberfläche herauslösen und so auf der Basis vorprogrammierter Muster ein Relief erzeugen. Durch Variation des Drucks und mehrfaches Bearbeiten einer Stelle kann die Spitze zudem tiefere oder flachere Kuhlen produzieren, die dann ein dreidimensionales Muster ergeben. Die neue Technologie wurde nun in den Fachzeitschriften „Science“ und „Advanced Materials“ vorgestellt.
Spezielle Substrate entwickelt
Eine Schlüsselrolle kommt auch dem als Substrat verwendeten Material zu. „Das Material war ein ‘ganz oder gar nicht’-Punkt”, erklärt Jim Hedrick, Wissenschaftler am IBM-Forschungszentrum in Almaden. „Wir mussten Materialien finden und synthetisieren, die mechanisch feste Gläser bilden und trotzdem thermisch leicht in nicht-flüchtige Einheiten zersetzt werden können.“
Matterhorn in molekularem Nanoglas
So erzeugten die die Forscher beispielsweise ein 3D-Abbild des Mattterhorns in einem speziellen molekularen Glas. Es besteht aus Schneeflocken ähnlichen Molekülen von rund einem Nanometer Größe und einer fast sphärischen Form. Bei Temperaturen von rund 330°C an der Siliziumspitze brechen die Wasserstoffbindungen, die die Moleküle zusammenhalten, und geben die einzelnen Partikel frei. Der berühmte Gipfel der Alpen wurde im Maßstab 1:5 Millionen reproduziert. Für die Feinheiten der Hänge lösten die Wissenschaftler mit Hilfe der Nanospitze Material aus 120 einzelnen Schichten des Untergrundmaterials heraus.
Nano-3D-Weltkarte in nur zwei Minuten erzeugt
Die Weltkarte in 3D entstand als ein Relief in einem Polymermaterial namens Polyphthalaldehyd. Wird es Hitze ausgesetzt, zerfallen die Molekülketten und erleichtern so das Herauslösen einzelner Bestandteile. Die neue Methode ist nicht nur effektiv und genau, sie ist auch besonders schnell: für die gesamte Weltkarte benötigte das System nur zwei Minuten und 23 Sekunden. Bei einer Größe von 22-mal elf Mikrometer entsprechen die rund acht Kilometer Höhe des Himalaja mit dem Mount Everest gerade einmal acht Nanometern. Insgesamt umfasst die Karte 500.000 Pixel, jedes nur 20 Nanometer groß.
Vorteil der Technologie ist zudem, dass die mit der Spitze erzeugten Muster ohne Probleme durch konventionelle Ätztechniken auf andere Materialien wie Silizium übertragen werden können. „Fortschritte in der Nanotechnologie sind eng verknüpft mit der Existenz von hochgenauen Methoden und Werkzeugen für die Produktion von Mustern im Nanomaßstab und Nanoobjekten auf Oberflächen“, erklärt IBM-der IBM-Physiker Armin Knoll. „Mit seiner breiten Funktionalität und einzigartigen Fähigkeit zur 3D-Musterbildung ist diese Methode ein wertvolles Werkzeug um sehr kleine Strukturen zu erzeugen.“
(IBM, 26.04.2010 – NPO)
