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Freitag, 09.12.2016
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Ionen schießen Nano-Krater

Hochgeladene Ionen als Werkzeug zur Nanostrukturierung von Kristalloberflächen

Mithilfe von stark geladenen Ionen ist es Wissenschaftlern gelungen, gezielt winzige Löcher in Materialoberflächen zu schießen. Damit erzeugten sie nanostrukturierte Oberflächen deutlich effektiver als das bisherige Elektronenschussverfahren. Die Löcher sind wenige Nanometer breit und genau eine Atomlage tief, wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten.
Oberfläche mit Ionenlöchern

Oberfläche mit Ionenlöchern

Die Nanotechnologie gilt als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Viele Forschergruppen arbeiten daran, immer kleinere Strukturen punktgenau bis hinab in den Nanometer-Bereich zu erzeugen. Oft verwenden sie dabei Materialien, die heute in der Mikroelektronik zum Einsatz kommen. Neuen, effektiven und zuverlässigen Verfahren für die Nanostrukturierung von Halbleitermaterialien kommt somit eine große Bedeutung zu.

Ionen als energiereiches Mini-Werkzeug


Eine große Rolle für die Strukturierung von Chips könnte zukünftig die Ionenstrahl-Technologie spielen. Wissenschaftler vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) um Stefan Facsko entwickelten nun eine Methode, bei der hochgeladene Ionen – Atome, denen nahezu alle Elektronen entzogen wurden – als Werkzeug für die Nanostrukturierung eingesetzt werden. Wenn man einem Atom einen Großteil seiner Elektronen entzieht, so hat das zurückbleibende Ion viel potentielle Energie gespeichert. Diese interne Energie wird in sehr kurzer Zeit auf unvorstellbar kleinem Raum freigesetzt und kann somit für die effektive Modifizierung von Oberflächen benutzt werden.

Bisherige Elektronen-Methode zu ineffektiv


Als Material für den Beschuss mit hochgeladenen Ionen wählten die Forscher in ihren aktuellen Untersuchungen Kaliumbromid. Dabei handelt es sich um ein kristallines und nichtleitendes Material, das beispielsweise bei der Herstellung von Linsen und Prismen Verwendung findet, aber auch in der Mikro-Elektronik als Gate-Material. Bei den bisherigen Verfahren dringen Elektronen tief in die Oberfläche ein und erzeugen dort viele kleine Defekte im Gitter des Kristalls. Einige der Defekte wandern an die Oberfläche und können dort zur Erzeugung einzelner Leerstellen führen. Diese bekannte Methode ist jedoch nicht sehr effektiv, da sehr viele Elektronen notwendig sind, um kollektiv ein einzelnes Loch zu bilden.


Anders bei hochgeladenen Ionen. Jedes einzelne Teilchen gibt seine hohe potentielle Energie direkt an die Oberfläche des Materials ab und erzeugt deshalb besonders effektiv viele Leerstellen auf kleinstem Bereich, die sich zu einem Krater zusammenfügen. Die Anzahl der abgelösten Atome hängt dabei nur von der abgegebenen inneren Projektilenergie ab. Somit ist die Größe der Nano-Strukturen, die erzeugt werden, durch die Wahl der Ladung des Ions einstellbar.

Wohldefinierte Nano-Löcher


Die Tiefe entspricht dabei verblüffenderweise immer genau einer Atomlage der Materialoberfläche. Der Grund hierfür ist, dass die frei werdende potentielle Energie der Ionen an der Oberfläche konzentriert ist und nur hier Atome aus dem Gitter verdampfen können. im Gegensatz zur schon lange bekannten, direkten Elektronen-Bestrahlung erzeugt jedes Ion genau ein wohldefiniertes Nano-Loch und ist damit deutlich effizienter. Ein weiterer Vorteil der hochgeladenen Ionen ist, dass sie keine Schäden in tiefer liegenden Kristallschichten hervorrufen.

Weitere Effekte und Varianten des neuen Verfahrens wollen die Forscher nun untersuchen. „Uns reizt es, hochgeladene Ionen in Zukunft gezielt auf der Materialoberfläche zu platzieren, also den Auftreffpunkt genau zu bestimmen“, erklärt Stefan Facsko. „Wenn uns das gelänge, könnten wir komplexe Strukturen aus lauter Nano-Löchern schreiben, die genau eine Atomlage tief sind. In diese Strukturen könnte man selektiv Metall aufdampfen und hätte so interessante „plasmonische“ Strukturen mit vielversprechenden Eigenschaften“.
(Forschungszentrum Dresden Rossendorf, 28.08.2008 - NPO)
 
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