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Das Team des CD-Labors für direkte Fabrikation von 3D-Nanosonden © Lunghammer/TU Graz
Das Team des CD-Labors für direkte Fabrikation von 3D-Nanosonden © Lunghammer/TU Graz

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Nano-Printing für Rasterkraftmikroskopie: Forscher tunen 3D-Druck

13.11.2019

Um Strukturen im kleinen Nanometerbereich charakterisieren zu können, werden winzige Messsonden für Rasterkraftmikroskope benötigt. Allerdings zeigen die Spitzen derartiger Messsysteme immer noch zu große Spitzenradien. Grazer Forscher wollen diese Lücke schließen und haben die spezielle Nanostruktur mit der sogenannten FEBID-Technik hergestellt, teilte die TU Graz mit.

Materialforschung und -charakterisierung stellen die Basis vieler technischer Innovationen dar. Wenn es um besonders kleine Strukturen geht, ist die Rasterkraftmikroskopie die ideale Methode, um Materialien grundlegend zu verstehen. Allerdings müssen dann auch die Messsonden, deren Spitzenradien im Bereich von unter zehn Nanometern liegen, hergestellt werden können.

Harald Plank forscht am Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz auf dem Gebiet der funktionellen Nanostrukturierung mittels 3D-Nanoprinting und leitet in Graz das Christian Doppler Labor für die direkte Fabrikation von Nanosonden. Sein Team nutzt die fokussierte Elektronenstrahlabscheidung (Focused Electron Beam Induced Deposition, FEBID), um winzig kleine Nano-Bauteile für Messsonden herzustellen. Ein spezielles Gas übernimmt dabei die Funktion der Tinte, ein fokussierter Elektronenstrahl dient sozusagen als Stift, der die gewünschte Struktur Schicht für Schicht schreibt. Zur Fertigung von flachen Nanostrukturen wurde die Methode schon länger eingesetzt, schilderte Plank auf Anfrage der APA.

Was sich im Prinzip relativ einfach anhört, erweist sich in der Praxis - und vor allem wenn es um dreidimensionale Strukturen geht - als komplizierte Herausforderung. Der Druckvorgang läuft in der Vakuumkammer eines Elektronenmikroskops ab. Das Precursor-Gas wird mit einer feinen Nadel in der Nähe der Probe eingebracht. Die gasförmigen Moleküle lagern sich auf der Oberfläche an und werden vom energiereichen, fokussierten Elektronenstrahl chemisch aufgespalten. Dadurch werden sie immobilisiert. "Sie bleiben also durch die Interaktion mit dem Elektronenstrahl an Ort und Stelle haften - und das auf nahezu jedem Material und jeder Oberflächenbeschaffenheit", wie Plank darlegte.

Jahrelange systematische Grundlagenarbeit

In jahrelanger systematischer Grundlagenarbeit haben die Grazer Forscher die Technologie im CD-Labor weiterentwickelt, so dass nun auch komplexe dreidimensionale Nanostrukturen kontrolliert hergestellt werden können. Für auskragende Strukturen haben sich Plank und sein Team vom Lego-Prinzip beflügeln lassen. "Um eine geneigte Architektur aus Lego zu bauen, muss die nächsthöhere Lage an Steinen immer leicht versetzt werden. Genau das haben wir auf das 3D-Nanoprinting übertragen", erklärte der Forscher. Durch geschickte Führung des fokussierten Elektronenstrahls sei es nunmehr möglich, frei stehende Nanostrukturen zu bauen, die auch auf unebenen und exponierten Positionen punktgenau gedruckt werden können. "Mit dieser Art des 3D-Nanoprintings eröffnen sich der Wissenschaft und der Industrie völlig neue Spielwiesen", so Plank zuversichtlich.

Für die Herstellung von elektrisch leitfähigen Messsonden hat die Gruppe bereits ein "Proof of Principle" abgeliefert. Die Produktion einer Kleinserie werde mit dem Wiener Industriepartner GETec Microscopy in den kommenden Monaten starten. Auch für die Anton Paar GmbH sei man im Bereich der Rasterkraftmikroskopie tätig. In Kooperation mit dem Oak Ridge National Laboratories (USA) und dem Physikalischen Institut der Goethe-Universität Frankfurt will man als nächsten Schritt eine Software entwickeln, mit der komplexe 3D-Nanostrukturen auch ohne breite Vorkenntnisse fabriziert werden können.

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