Bild: Angelo Leung_(cc-by-nd 2.0)
Experten sind sich einig: Ohne bessere Herstellungstechniken werden viele experimentelle Nanokomponenten das Laborstadium kaum verlassen. Auch die IT-Industrie sieht einen hohen Bedarf an Produktionsmethoden für diesen kleinsten aller nutzbaren Bereiche, mit denen sich die Speicher- und Transistorendichte auf Chips stark erhöhen lässt. Eine Technik namens Nanoabrucklithographie, bei der fein gemusterte Spezialformen verwendet werden, gilt als viel versprechend. Das Problem: Je nach verwendetem Material lassen diese Formen entweder nur eine relativ geringe Auflösung zu oder brechen, weil sie schlicht zu fragil sind. Forscher an der Yale University haben nun gezeigt, dass sich diese Probleme durch die Verwendung haltbarerer Materialien lösen lassen – ein Fortschritt, der die Technik schnell kommerziell interessant machen könnte.
"Die konventionelle Lithographie stößt heute an ihre Grenzen", sagt Jan Schroers, Professor für Maschinenbau an der Hochschule, der die neuartigen Formen mit seinem Team aus metallischen Gläsern hergestellt hat. Solche im Nanobereich geprägten "Stempel" versprechen ein einfacheres Handling als die herkömmliche Photolithographie – und billiger sollen sie auch noch sein.
Bei der Nanoabdrucklithographie wird eine Form aus einem harten Material wie Metall oder Silizium in ein weicheres gedrückt – oftmals handelt es sich dabei um geschmolzenes Silizium oder ein Polymer. Diese Formen können dann anschließend wiederverwendet werden. Doch sowohl Metall als auch Silizium haben Nachteile: Silizium wird schnell brüchig und nach einigen hundert Einsätzen ist die Verwendung laut Schroers nicht mehr möglich. Das Metalläquivalent ist zwar haltbarer, doch ist es körniger. Die daraus gebildeten Nanostrukturen können nicht kleiner als die Körnung im Metall sein – das entspricht im Schnitt nur 10 Mikrometern.
"Aus vielen Gründen sind deshalb metallische Gläser das ideale Material für die Nanoabdrucklithographie", sagt John Rogers, Professor für Materialwissenschaften an der University of Illinois in Urbana-Champaign, der Schroers Arbeit kennt. "Sie sind extrem stark und können mit einer sehr hohen Auflösung geformt werden." Gewöhnliche Metalle sind kristallin. Metallischen Gläsern, die durch das schnelle Abkühlen flüssiger Metalle entstehen, was die Kristallisation verhindert, fehlen diese Strukturen. Wie Silizium-Formen lassen sie sich sehr fein mustern.
Hinzu kommt, dass sich solche Formen millionenfach einsetzen lassen, um Materialien im Nanomaßstab zu prägen – darunter auch Polymerarten, wie man sie aus der DVD-Herstellung kennt. Die Yale-Forscher haben mit ihrer Technik bereits dreidimensionale Mikrobauteile wie Zahnräder oder Pinzetten geschaffen, auch noch kleinere Strukturen waren möglich. In ihrem Paper, das in "Nature" erschien, beschreiben Schroers und sein Team, wie sie eine Auflösung von bis zu 13 Nanometern erreichen konnten.
"Theoretisch liegt das Größenlimit bei einem einzigen Atom", sagt Schroers. Die Yale-Forscher hoffen, eines Tages solche kleinen Strukturen zu schaffen, indem sie die Oberflächenchemie ihrer Formen besser kontrollieren. Die Haupteinschränkung liegt derzeit in der Struktur der verwendeten Metall- und Silizium-Muster. Eine verbesserte Auflösung ließe sich nun beispielsweise durch die Verwendung von Nanostrukturen selbst erreichen, etwa aus Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem oder zwei Nanometern Durchmesser.
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