Nanobauteile nach Maß

Auf Goldpartikeln wachsen aus einem Dampfstrom Nanostrukturen

Die genaue Kontrolle über Form und Zusammensetzung der Nanobauteile gelingt den Stuttgarter Forschern durch ihre raffinierte Methode, mit der sie in rund einer Stunde zudem mehrere hundert Milliarden Exemplare einer komplexen Struktur produzieren können: Mithilfe der seit einigen Jahren bekannten mizellaren Nanolithographie platzieren sie zunächst Milliarden regelmäßig angeordneter Goldnanopartikel auf der Oberfläche eines Silicium- oder Glaswafers: Sie scheiden von einer Polymermembran umhüllte Goldteilchen auf dem Träger ab, die sich dort dicht an dicht zu einem regelmäßigen Muster anordnen. Nachdem die Materialwissenschaftler die Polymerhülle mit einem Plasma zerstört haben, bleiben die Goldpunkte zurück. Nun stellen sie den vorstrukturierten Wafer so schräg in den Strom etwa eines Metalldampfes, dass die Metallatome nur die Goldinseln sehen und sich darauf absetzen. So wachsen rasch Stäbchen auf dem Träger, die bis zu 20 Nanometern dünn sein können.

Wenn die Forscher den Träger während des Aufdampfens langsam drehen, windet sich das Stäbchen zu einer Helix. Kippen sie den Träger abrupt, bildet sich eine Zickzackform. Wenn sie zwischendurch das Material ändern, das sie in die Kammer dampfen, entsteht ein Verbundmaterial. Und natürlich können sie all diese Kniffe auch kombinieren. So versahen sie etwa Stäbchen aus Aluminiumoxid mit Kupferhaken, wobei ihnen eine dünne Titanschicht als eine Art Kleber diente.

Die entscheidende Idee: Eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff

„Größere Strukturen werden auf ähnliche Weise bereits seit längerem hergestellt“, erklärt Max-Planck-Forscher Andrew G. Mark, der an der Entwicklung der Methode maßgeblich beteiligt war. „Bislang ließ sich die Methode jedoch nicht auf Nanostrukturen übertragen.“ Denn auf der Oberfläche eines Nanogebildes gruppieren sich die heißen und beweglichen Atome, die gerade aus dem Dampf kommen, schnell zu einer kugeligen Form um, weil diese Anordnung für die Atome energetisch am günstigsten ist. „Wir hatten daher die Idee das Trägermaterial mit flüssigem Stickstoff, der durch den Halter des Materials fließt, auf ungefähr minus 200 Grad Celsius zu kühlen, so dass ein Atom schockgefroren wird und in seiner Position erstarrt, sobald es auf der Spitze des wachsenden Nanokörpers landet“, sagt John G. Gibbs, der zu der Arbeit am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme ebenfalls wesentlich beitrug.

So vielseitig die Methode ist, nicht alle Formen lassen sich damit erzeugen. „Weil die Struktur immer vom Wafer weg wächst, können keine Ringe oder geschlossene Drei- oder Vierecke entstehen“, sagt Fischer. „Einen Eifelturm in Nanogröße können wir nicht bauen.“ Dennoch stehen ihm und seinem Team nun breitgefächerte Möglichkeiten offen: „Unser langfristiges Ziel ist es, Nanomaschinen zu bauen“, sagt Peer Fischer. „Die Natur baut Motoren in einer Größe von etwa 20 Nanometern. Wir möchten unsere Bauteile an solche Motoren koppeln.“ Spätestens dann könnten viele Träume der Nanoforscher Realität werden.