Edle Bauteile: Forschern ist es erstmals gelungen, winzige Nanostrukturen aus fast reinem Gold herzustellen. Mit ihrem neuen Verfahren lassen sich nun Bauteile für Biosensoren oder elektrische Kontakte produzieren, die bisherigen Nanostrukturen bedeutend überlegen sind. Der Vorteil der ungewöhnlich reinen Goldstrukturen: Sie haben eine um Größenordnungen bessere elektrische Leitfähigkeit.
Die Nanotechnologie gilt als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts: Ob winzige Bauteile für Sensoren oder molekulare Motoren aus einzelnen Atomen – schon heute können Wissenschaftler in der Welt des Allerkleinsten nützliche Materialien und Anwendungen erschaffen. Dabei sind sie oft auf ein ganz besonderes Element angewiesen: Gold.
„Gold sieht nicht nur sehr schön aus, es spielt auch für die Nanotechnologie eine wichtige Rolle“, sagt Heinz Wanzenböck von der Technischen Universität Wien. So benötigen die Forscher Gold-Nanostrukturen mit ganz bestimmter Form zum Beispiel für Biosensoren oder als elektrische Kontakte. Das Problem: Beliebig geformte Nanostrukturen aus reinem Gold zu produzieren, gilt bisher als unmöglich. In der Praxis wird daher mit unreinen Strukturen gearbeitet, die jedoch ungünstigere Eigenschaften haben als reines Gold.
Material unter Beschuss
Dieser Kompromiss könnte schon bald nicht mehr vonnöten sein. Denn Wanzenböck und seine Kollegen haben nun eine neue Technik entwickelt, mit der ganz gezielt und mit hoher Präzision goldene Nanostrukturen hergestellt werden können: Ein Ausgangsmaterial aus einer organischen Metallverbindung wird dabei durch den Beschuss mit einem fokussierten Elektronenstrahl aus dem Rasterelektronenmikroskop Punkt für Punkt zerlegt. Zum Schluss bleibt an bestimmten Stellen nur noch das Gold übrig.
Der Ansatz des Teams ist zwar nicht neu: „Schon bisher war bekannt, dass man auf diese Weise sehr komplexe dreidimensionale Strukturen herstellen kann“, sagt Wanzenböcks Kollege Mostafa Shawrav. „Allerdings ließ die Reinheit dieser Strukturen immer sehr zu wünschen übrig: Typischerweise hatte man es mit 70 Prozent Kohlenstoff und nur 30 Prozent Gold zu tun.“ Der Trick der Forscher: Sie fügen während der Gold-Deposition ein Oxidationsmittel hinzu. „Dadurch können wir praktisch reines Gold herstellen“, so Shawrav.
Höhere Reinheit, bessere Leitfähigkeit
Mithilfe des neuen Verfahrens können die Wissenschaftler Strukturen erschaffen, die Nano-Bauteilen aus unreinem Gold bedeutend überlegen sind – vor allem in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit. Gold leitet elektrischen Strom extrem gut, genau deshalb ist es in der Nanotechnologie so gefragt. Doch die Leitfähigkeit der unreinen Goldstrukturen, die man bisher erzeugen konnte, war etwa eine Million Mal schlechter als die von reinem Gold.
Mit der neuen Technik wird nun eine Leitfähigkeit erreicht, die bis auf einen Faktor vier der Leitfähigkeit von reinem Gold entspricht. „Diese extrem leitfähigen und reinen Goldstrukturen werden eine neue Tür für die Welt der Nanoelektronik öffnen“, sagt Philipp Taus von der Technischen Universität Wien.
Wie aus dem 3D-Drucker
„Es wird nun viel einfacher sein, Nanoantennen aus Gold herzustellen oder Strukturen zu fabrizieren, mit denen man einzelne Biomoleküle auf einer Oberfläche festhalten kann.“ Ähnlich wie mit einem 3D-Drucker könne man mit dem neuen Verfahren fast beliebige Formen aus nahezu reinem Gold realisieren, berichten die Wissenschaftler.
„Es ist bemerkenswert, wie man mit einem gewöhnlichen Rasterelektronenmikroskop heute Nanostrukturen herstellen kann, während es vor 20 Jahren nur für hochauflösende Abbildungen genutzt wurde“, schließt Mostafa Shawrav. „Die neue Technik ist ein wichtiger Sprung nach vorne und wird ein Herzstück zukünftiger Verfahren zur Herstellung von nanoplasmonischen und bioelektronischen Bauteilen sein.“ (Scientific Reports 6, 2016; doi: 10.1038/srep34003)
(TU Wien, 07.11.2016 – DAL)
