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Nanoelektronik

Nanoelektronischen Technologien gehört offensichtlich die Zukunft. Die technologischen Erfolge bewegen sich heute im Bereich von Milliardstenmillimetern. Und die Möglichkeiten scheinen unbegrenzt.

In winzigen Dimensionen

Denn auf immer kleinerem Raum sollen immer größere Datenmengen gespeichert werden, und der Markt für neue Datenspeicher-Produkte ist riesig. Die Nanotechnologie nutzt dabei gezielt einzelne Atome und Moleküle zum Aufbau von Teilchen und kleinen Struktureinheiten, um Werkstoffe mit neuen Eigenschaften sowie winzigste Komponenten und Systeme herzustellen. Nanostrukturen spielen dadurch eine Schlüsselrolle in der Physik, Chemie sowie den Materialwissenschaften und sind die Grundlage moderner Mikroelektronik und Kommunikationstechnik. Denn Strukturen mit Abmessungen von wenigen Nanometern – 1 Nanometer ist bekanntlich 1 Milliardstel Meter – besitzen besondere physikalische und chemische Eigenschaften, die sich in weiten Grenzen gezielt verändern lassen.

Big Future and Business

Lux Research, weltweit führendes Forschungs- und Beratungsunternehmen für Nanotechnologie, schätzte im Vorjahr den Markt für Produkte, in die in irgendeiner Weise Nanotechnologie verarbeitet wurde, auf eine Größenordnung von rund 35 Milliarden USD. Bis zum Jahr 2014 erwarten die Analysten Nano-Produkte im Wert von 2,6 Billionen Dollar auf dem Weltmarkt, und jedes zweite Produkt werde von Nanotechnik profitieren. Das wäre dann etwa so viel wie die IT- und die
Telekommunikationsindustrie heute zusammen erwirtschaften.

Bild: Lux Research Inc.

Zehn Millionen Jobs in der Fertigung würden im Jahr 2014, so die Lux-Hochrechnung, mit Nano zu tun haben und neue Entwicklungen die Märkte durchrütteln. Nanomaterialien sollen laut Matthew Nordan, Präsident von Lux Research bahnbrechende Produktinnovationen ermöglichen und somit Moore’s Law für weitere dreißig Jahre Gültigkeit verschaffen. „Die heutigen Nanomaterialien werden die gewöhnlichen Materialien von morgen sein“, stellt er fest, „da sie die Phase der wissenschaftlichen Entdeckung bereits verlassen und in die Kommerzialisierung eintreten.“ Denn seit Forscher in der Lage seien, die kleinsten Bausteine von Materie und Leben zu verändern, könnten sie diese gezielt mit Eigenschaften und Fähigkeiten ausstatten und so revolutionär Neues schaffen. Der Nanotechnik gehöre somit die Zukunft und werde heute noch gar nicht vorstellbare Produkte schaffen. Nordan gibt ein Beispiel: „Wenn es gelingt, Displays mithilfe winziger Drähte aus Silizium einfach zu drucken, wird die Herstellung so preiswert, dass ein Computerbauer in diesen Markt einsteigen und etablierten Unternehmen wie Sony und Samsung Konkurrenz machen könnte.“
Die weltweiten Forschungs- und Entwicklungsausgaben schätzt Lux Research derzeit auf rund 10 Milliarden USD mit der Tendenz steigend. Hauptzielrichtungen bei Nanoelektronikentwicklungen sind dabei Technologien und Geräte für die Elektronikfertigung, neuartige Schaltungen und Bauelemente sowie Chipsysteme und Entwurfsmethodik.

Kein Nano ohne Mikro

Für vermarktbare Produkte ist die in winzigsten Strukturen operierende Nanotechnologie nutzbar, wenn es Schnittstellen zwischen den immer kleiner werdenden Strukturen der Nanoelektronik und den in der Regel erheblich gröberen Strukturen der Anwendungssysteme gibt. Die hierfür benötigten Systemtechnologien werden in der Mikrosystemtechnik entwickelt und bereitgestellt. Diese so genannte Mikro-Nano-Integration (MNI), das heißt die Integration von Nanostrukturen in die Mikro- und Makroebene und der Einsatz von Nanotechnologie-basierenden Effekten, spielt in Zukunft mit Sicherheit eine noch größere Rolle. Sie wird die Schlüsselfunktion zur Realisierung von zukünftigen Systemlösungen einnehmen und wesentliche Voraussetzungen schaffen, um damit einhergehende Integrations- und Miniaturisierungsanforderungen zu erfüllen. Unter anderem gilt das für die Systemzuverlässigkeit in der Automobiltechnik oder in der Medizintechnik etwa zur Entwicklung von intelligenten Implantaten oder auch bei der Entwicklung von autonomen vernetzten Sensorsystemen. Noch nicht ganz reif für die industrielle Nutzung sind die aktuell existierenden und vielversprechenden Ansätze für die Mikro-Nano-Integration, aber in Hinkunft ist mit der Entstehung von neuen Industrien und Märkten zu rechnen. Es gibt zwei entgegen gesetzte Vorgangsweisen für die Entwicklung von Systemintegrationstechnologien und nanoskaligen Materialien – den „Top-down“-Ansatz und die „Bottom-Up“-Methode. Bei ersterem handelt es sich um die Weiterentwicklung von Herstellungsverfahren, deren Ursprung und Methodik aus der Mikrosystemtechnik stammt. Die "Bottom-Up" Methode hingegen nutzt physikalisch-chemische Prinzipien der Selbstorganisation zur Herstellung von Strukturen.

Nanosensor schnüffelt Gas

Die Austrian Research Centers entwickeln neuartige Nanosensorsysteme für die Detektion umweltrelevanter Gase und für biomedizinische Anwendungen. Dabei werden Halbleiter-Nanostrukturen, wie beispielsweise Nanobänder, Nanodrähte und Nanospalten, als Sensorelemente verwendet. „Auf Grund der Nanostrukturen weisen die neuen Nanosensoren im Vergleich zu konventionellen Sensoren ein viel größeres Oberflächen-Volumsverhältnis auf, wodurch höhere Messempfindlichkeiten und kürzere Ansprechzeiten erzielt werden können“, erklärt Univ. Doz. Dr. Anton Köck, Leiter des Projekts. Die Nanosensoren werden als Sensorplattform entwickelt und durch eine spezielle Oberflächenfunktionalisierung an die jeweilige Anwendung angepasst. „Die von uns entwickelten Nanosensoren haben ein großes Potential für neue Anwendungen im Umweltmonitoring und in der biomedizinischen Point-of-care Diagnostik“, ergänzt Dr. Köck.

		Dr. Anton Köck, Austrian Research Centers
Bild: ARCS

Mittels Halbleitertechnologie auf Silizium-Basis hergestellt sind die Nanosensoren mit der CMOS-Technologie der Mikroelektronik kompatibel, was im Hinblick auf die praktische Umsetzung und Kommerzialisierung der Sensorsysteme von größter Wichtigkeit ist. Als Chemische Nasen bezeichnet man Sensorsysteme, die mehrere Sensorelemente gleichzeitig verwenden, wobei die einzelnen Elemente unterschiedliche Selektivitäten gegen verschiedene Gase, wie CO, CO2 oder NH3, aufweisen. Damit können sie auch komplexe Gasgemische detektieren. Derzeit werden Nanosensoren für die Detektion von Gasen, die bei Bränden auftreten, entwickelt – und zwar mittels halbleitertechnologischer Prozesse aus Silicon-On-Insulator (SOI) Wafern, wobei als Sensorelemente so genannte Nanobänder eingesetzt werden. Die Nanobänder werden mit dünnsten Metalloxidschichten mit Dicken von nur wenigen 10 nm funktionalisiert, um die gewünschte Selektivität gegenüber spezifischen Gasen zu erreichen.

		Bild 1 - 4: Silizium-Nanobelt-Sensoren zur Detektion von Gasen
Bild1: ARCS

Bild2: ARCS

Bild3: ARCS

Bild4: ARCS

Blitze für den Nanokosmos

Um die Abmessungen und andere strukturelle Eigenschaften von Nanostrukturen zu bestimmen, nutzen Forscher häufig leistungsstarke Elektronenmikroskope. Tatsächlich ist erst durch die Erfindung des Raster-Elektronen-Mikroskops, das bis zu 500.000-fache Vergrößerungen liefert, die Forschung im Nanometerbereich möglich geworden. Dabei entstehen statische Aufnahmen, das heißt, der zeitlich gemittelte Zustand des Objekts wird erfasst. Die Funktion von Nanosystemen ist jedoch oft mit Vorgängen verknüpft, die auf einer Längenskala von Nanometern und in extrem kurzen Zeitskalen im Bereich von weniger als einer Pikosekunde, dem millionsten Teil einer Millionstel Sekunde, ablaufen. Deshalb wird weltweit intensiv an Methoden gearbeitet, die solche Vorgänge sichtbar machen können, etwa durch Aufnahme einer Folge von Schnappschüssen. Hierzu eignen sich neben ultrakurzen Lichtblitzen insbesondere Röntgen- und Elektronenimpulse, die direkte Informationen über schnell ablaufende Strukturänderungen liefern. Forscher des Max-Born-Instituts Berlin demonstrierten jetzt eine neue Technik zur Erzeugung ultrakurzer Elektronenimpulse. Dabei wird eine Goldspitze von lediglich 40 nm Durchmesser mit Lichtimpulsen von nur 0,007 ps Dauer beleuchtet. Die Intensität des Lichts wird an der Spitze so stark überhöht, dass das Licht Elektronen aus dem Metall herausschlägt. Diese geladenen Teilchen lassen sich zur Untersuchung von Nanostrukturen verwenden. Die speziellen Bedingungen des Anregungsprozesses führen zu einer extrem kurzen Dauer der Elektronenimpulse von weniger als 0,02 Pikosekunden (20 Femtosekunden), und entsprechend kurz hintereinander kann die Elektronenkamera Bilder aufnehmen. Das Potential dieser punktförmigen Elektronenquelle für die Abbildung von Nanostrukturen wurde in Experimenten gezeigt, bei denen die beleuchtete Metallspitze – vergleichbar einer Rastersonde in einem Kraftmikroskop – in geringem Abstand über einen 50 nm breiten Nanograben in einer Metallstruktur hinweggeführt wurde.

		Das Experiment am Max Born Institut
Bild: MBI

Entlang des Querschnitts des Metallgrabens variiert die Elektronenausbeute auf Grund der unterschiedlichen Erzeugungsbedingungen, woraus direkt das Profil und die elektromagnetische Feldverteilung des Grabens mit Nanometer-Auflösung bestimmt werden können. Auf diese Weise sind etwa elektronische Bauteile im Nanomaßstab und deren Eigenschaften präzise zu vermessen.

Ionenstrahl züchtet Nano-Draht

In der Nano-Elektronik und Nano-Optik werden Nano-Drähte für technische Anwendungen der Zukunft eine wichtige Rolle spielen, denn sie könnten die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Strukturen vorantreiben oder die Datenübertragung mit Licht verbessern. Heute sind hauptsächlich Nano-Technologien auf chemischer Basis wie zur Beschichtung und Versiegelung von Oberflächen im Einsatz. Die Physiker im FZD – Forschungszentrums Dresden-Rossendorf bedienen sich zur Herstellung von Nano-Drähten des Werkzeuges eines fein gebündelten Ionenstrahls, also eines Strahls aus schnellen, elektrisch geladenen Atomen. Das Besondere an diesem Nano-Draht: er wächst nicht als "Haarknäuel" auf einer Materialoberfläche, sondern kann direkt mit schnellen geladenen Atomen in ein beliebiges Material implantiert werden. Die Atome sind dabei gleichzeitig Werkzeug und Stoff, aus dem der Draht wächst. "Mit der Technik des fein gebündelten Ionenstrahls haben wir eine Art Nano-Werkzeug zur Verfügung“, erklärt Forschungsprojektleiter Dr. Lothar Bischoff. „Damit gelingt es mühelos, die Materialoberfläche bis in eine Tiefe von 50 Nanometern zu bearbeiten und in dieser Tiefe die Atome zu deponieren, in der sich später der Nano-Draht bildet.“ Dabei sei auch der Ausgangspunkt des Drahtes und die Länge exakt zu bestimmen. Die Probe werde dann aufgeheizt und selbstorganisierende Keimbildungs- und Wachstumsprozesse führten zur Bildung des endgültigen Nano-Drahtes. So ist es laut Dr. Bischoff jetzt gelungen, Nano-Drähte mit Durchmessern von 10 bis 20 Nanometern und in Längen von bis zu 10 Mikrometern herzustellen.

		Ein mit dem FIB "durchgeschnittener" Nanodraht mit einem Durchmesser <100 Nanometer
Bild: FZD

Das geht in zwei Schritten vor sich. Nach der Bedampfung der Rückseite einer Silizium-Scheibe mit einem dünnen Kobaltfilm werden Ionen mit dem fein gebündelten Ionenstrahl in die Vorderseite der Silizium-Scheibe implantiert, wo diese gezielt Kristalldefekte erzeugen, die quasi als Keimlinge für das Wachstum der Nano-Drähte fungieren. Während eines nachfolgenden Temperschrittes entsteht ein Kobaltdisilizid-Draht im Silizium-Wafer, dem gängigen Ausgangsmaterial zur Produktion von Chips für die Mikroelektronik-Industrie. Dieses Kobaltdisilizid ist ein geeignetes Material für die Silizium-Technologie: es ist dem Silizium in seiner Gitterstruktur sehr ähnlich und weist zudem eine sehr gute Leitfähigkeit auf, so dass der Einsatz von Kobaltdisilizid-Drähten als Elemente von elektronischen Strukturen oder für die "Verdrahtung" zwischen Bauelementen denkbar ist.

		Nanodraht mit einem Durchmesser von ~50 Nanometer mit integrierten 200x200 nm2 Kontaktflächen
Bild: FZD

		Dr. Lothar Bischoff, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Bild: FZD

Winziger Lichtschalter

Wissenschaftler des Berliner Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) haben ein optisches Schaltelement entwickelt, das auf einem neuen Steuerungskonzept beruht und dreihundertmal kleiner als vergleichbare Bauteile ist. Optische Schaltelemente dieser Art sind wichtig für die Datenübertragung per Licht. Je kleiner und leistungsfähiger – desto mehr Daten können umso schneller transportiert werden. Das neuartige Bauteil ist ein so genanntes akustisches Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das Lichtsignale moduliert. Würde man ein Haar durchschneiden, so passten auf die Schnittfläche sechzehn der Bauteile. Der aktive Bereich, in dem die Modulation stattfindet, ist nur je 15 Mikrometer lang und breit. Aber nicht allein die Abmessungen machen das Bauteil so besonders, sondern auch das Material und die Funktionsweise. Bisherige Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) werden hauptsächlich aus dielektrischem Material hergestellt, beispielsweise Lithiumniobat, und reagieren auf angelegte elektrische Spannungen. Die Neuentwicklung aus dem PDI hingegen wurde aus der Halbleiterverbindung Galliumarsenid (GaAs) hergestellt und benutzt so genannte akustische Oberflächenwellen, um das durch eine optische Faser eingebrachte Licht zu modulieren. Beide Neuerungen führen sowohl zur Steigerung der Effizienz als auch zur Erhöhung der Dichte von Bauelementen, die man auf einem Chip herstellen kann. Das Prinzip von Mach-Zehnder-Interferometern beruht auf Interferenz, also der Überlagerung von Lichtwellen. Das MZI nach dem Prinzip des PDI könnte demnach auf einer winzigen Fläche Lichtquelle und Modulator vereinen und monolithisch aus einem Stück gefertigt werden.

		Schematische Darstellung des nur 15 mal 15 Mikrometer winzigen Lichtschalters
Bild: PDI

Auf einen Chip von Daumennagelgröße würden mehrere Tausend Modulatoren passen. Die monolithische Bauweise von Lichtquelle und Modulator, die geringe Größe und der kleinere Energieverbrauch könnten Herstellungskosten senken und die Datenübertragungsraten in Netzwerken und auch in Rechnern selbst steigern: Rasantere Internetverbindungen und schnellere Rechner wären möglich.

Sehr kleine Antennen

Mit Hilfe der Lichtmikroskopie dringen Wissenschaftler immer tiefer in die Welt der kleinsten Strukturen ein. Ein Spezialist auf diesem Gebiet ist Professor Dr. Bert Hecht von der Uni Würzburg. „Mit der Lichtmikroskopie kann man auch Materialanalysen betreiben“, erklärt der Physiker. Möglich werde das durch die Technik der Spektroskopie, wobei das vom untersuchten Objekt im Mikroskop abstrahlende Licht nach Wellenlängen aufgespalten werde. „Man analysiert die verschiedenen Farben und kann daraus Informationen über die chemische Struktur des Objekts bekommen.“ Im Zentrum seiner Arbeit steht auch die Entwicklung neuartiger, hoch empfindlicher Mikroskopiemethoden und Nachweisverfahren. Unter anderem widmet sich Dr. Hecht der Erforschung metallischer Nanostrukturen, die als resonante, winzig kleine Antennen für Licht dienen können.

		Prof. Dr. Bert Hecht untersucht winzig kleine Antennen für Licht
Bild: UNI Würzburg

"Solche Strukturen sind nicht nur für die Entwicklung von hoch auflösenden optischen Mikroskopen zukunftsweisend", sagt der Professor. Zu der von ihm erforschten Materie gehören zum Beispiel auch lebende Zellen. In diesen komplexen Objekten kann er gezielt einzelne Moleküle und deren Wechselwirkungen mit anderen Molekülen sichtbar machen. Es entstehen dabei keine Bilder, wie man sie von der gewöhnlichen Mikroskopie her kennt. Stattdessen sind nur wenige leuchtende Punkte zu sehen, die ihre Position im Verlauf der Zeit ändern. Auf diese Weise lässt sich der Weg verfolgen, den Moleküle in der Zelle zurücklegen. Analysiert man zwei unterschiedliche Molekültypen zugleich und stellt fest, dass beide längere Zeit an einem Punkt verharren, dann findet zwischen ihnen eine Wechselwirkung statt. Solche molekularen Wechselwirkungen bestimmen die Lebensprozesse in einer Zelle. Auf diese Weise hat der Würzburger Physiker zum Beispiel untersucht, wie Viren in den Kern ihrer Wirtszellen eindringen. Erforscht hat er aber auch die Orte, an denen Adrenalin und andere Hormone wirksam werden, nämlich an G-Proteine gekoppelte Rezeptoren.

Innovativ durch Plasmonik

Innerhalb des 6. EU-Rahmenprogrammes für "Polymer-based Nanoplasmonic Components and Devices“ (PLASMOCOM) sind in einem neuen EU-Forschungsprojekt am Laser Zentrum Hannover innovative nanophotonische Komponenten in Entwicklung. Die Systeme bestehen aus mittels Polymeren auf Metalle aufgebrachten Nanostrukturen, und das Besondere daran ist, dass sie sowohl elektronische wie auch optische Signale weiterleiten können. Beispielsweise soll künftig auf einem Chip gleichzeitig elektronische und optische Datenverarbeitung möglich sein. Die photonischen Komponenten nützen das Phänomen der so genannten Oberflächenplasmonen – elektromagnetischen Wellen –, die sich an metallischen Oberflächen ausbreiten und an die Grenzfläche zwischen einer dünnen Metall- und einer Polymerschicht gebunden sind. Mit den entsprechenden Nanostrukturen ist es möglich, optische Signale zu leiten und zu verarbeiten.

		Anorganische Nanopartikel sind homogen in organische Polymerteilchen eingearbeitet
Bild: BASF

Diese Komponenten eignen sich besonders für integrierte photonische Schaltungen wie beispielsweise für die kombinierte elektronische und optische Signalbearbeitung, optische Schnittstellen auf Chips oder die rein optische Datenverarbeitung. Diese plasmonischen Systeme sollen nicht nur kleiner und preiswerter sein, sondern auch verbesserte Parameter wie Stromverbrauch oder Lichtintensität besitzen. Anwendungen eröffnen sich besonders für Computerchips, hochauflösende Lithographie und Mikroskopie. Weitere teilnehmende Institute im Projekt sind: The Queen's University of Belfast (UK), Aalborg University (DK), Université de Bourgogne, Dijon (F) und SILIOS Technologies (F).

		Oberflächenplasmonen: elektromagnetischen Wellen
Bild: LZH

Risiko durch Nano

Nanoelektronik befasst sich mit allen Gebieten der Elektronik, in denen Strukturen im Nanometer-Bereich von Bedeutung sind. Wissenschaftler forschen intensiv an wirtschaftlichen und technischen Konzepten – und müssen sich immer wieder die Frage gefallen lassen: Wie gefährlich sind Nanopartikel für den Menschen und die Umwelt? Immerhin sind sie so klein, dass sie leicht eingeatmet oder über die Haut aufgenommen werden können. Besonders in Europa hat sich Protest gegen den Einsatz von Nanomaterialien formiert, weil die gesundheitlichen Auswirkungen und Umwelteinflüsse weitgehend ungeklärt sind. Zu diesem Thema wurde vor rund einem Jahr das Projekt NanoCare ins Leben gerufen, das Primär-Daten zur arbeitsplatzbezogenen gesundheitlichen Wirkung von Nanopartikeln durch Partikelanalyse gewinnen will, indem vor allem zur Abschätzung des Risikopotentials im Rahmen des Projektes unterschiedliche Nanopartikel systematisch hergestellt, charakterisiert und auf ihre toxikologische Wirkung untersucht werden.

		Dr. Stefan Marcinowski, Mitglied des Vorstands und der Sprecher der Forschung der BASF AG
Bild: BASF

Beteiligt an dem NanoCare Projekt sind insgesamt 13 Partner, davon auf Seite der Industrie die Degussa AG, BASF AG, Bayer MaterialScience AG, Solvay Infra Bad Hönnigen GmbH und die SusTech GmbH&Co KG. Von wissenschaftlicher Seite beteiligen sich vor allem die Universitäten Münster, Bielefeld und Saarbrücken sowie das Forschungszentrum Karlsruhe. Der NanoCare-Koordinator vom Forschungszentrum Karlsruhe, Dr. Harald Krug, sieht in dem Projekt auch eine Chance, die Akzeptanz der Nanotechnologie zu erhöhen: „Neue Technologien können auch Risiken für Gesundheit und Umwelt mit sich bringen. Um der Verantwortung für die Gesellschaft und für das Individuum gerecht zu werden, müssen begleitend zur Technologieentwicklung die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt untersucht werden.“ Eine wesentliche und dringende Aufgabe auch für Dr. Stefan Marcinowski, Mitglied des Vorstands und der Sprecher der Forschung der BASF AG, der in der Nanotechnologie eines der ergiebigsten Wachstumsfelder der kommenden Jahre sieht: „Die chemische Industrie wirkt aktiv daran mit, dass das riesige Potenzial der Nanotechnologie nachhaltig genutzt werden kann und zu Innovationen und Arbeitsplätzen führt.“ Die Nanotechnologie bietet laut Dr. Marcinowski Lösungen für wichtige Zukunftsthemen wie Energie, Gesundheit, Mobilität, und neue Materialien.
Linda Wöss

Die Nanotechnologie Value Chain |

Nano Materialien: Nanoskalige Strukturen in nicht prozessierter Form wie Nano Partikel, Nanotubes, Quantenpunkte, Fullerenes, Dendrimers, nanoporöse Materialien etc. Nano Intermediates: Zwischenprodukte mit nanoskaligen Eigenschaften wie Beschichtungen, Memory Chips, Kontrastmedien, optische Komponenten etc. Nano-enabled Produkte: Fertigprodukte mit integrierter Nanotechnologie wie Autos, Kleidung, Flugzeuge, Computer, Pharmazeutika etc. Quelle: Lux Research Inc.

Linda Wöss