Nanostrukturen aus holographischer Schablone

News: Nanostrukturen aus holographischer Schablone

Unzählige physikalische und chemische Verfahren ermöglichen es mittlerweile, eine Vielzahl verschiedener Nanostrukturen herzustellen. Doch oftmals sind dazu viele Prozessschritte nötig, was nicht nur Zeit sondern auch Geld kostet. Eine viel elegantere Methode ist es da, die Atome einfach mit einer geeigneten "Lichtschablone" an die richtige Stelle zu werfen. Lichtfelder, die dazu taugen, konnten Wissenschaftler nun mit einem einfachen Hologramm erzeugen.

Thorsten Krome

Detailaufnahme — © M. Mützel et al/Universität Bonn (Ausschnitt)

Verfolgt man die Veröffentlichungen der letzten Jahre, so gewinnt man den Eindruck, dass Wissenschaftler die kompliziertesten Nanostrukturen nur so aus dem Ärmel schütteln. Doch der Schein trügt, denn um die filigranen Strukturen auf ein Substrat zu bringen – wenn es die Natur denn nicht durch Selbstorganisation von sich aus regelt –, sind aufwändige Verfahren notwendig.

So muss die Unterlage beispielsweise häufig zunächst mit einem Photolack beschichtet werden, dieser wird dann mit unterschiedlichen Methoden belichtet. Anschließend müssen die belichteten Stellen weggeätzt und die entstandenen Lücken mit Material aufgefüllt werden. Das kann mitunter nicht nur lange dauern, sondern birgt auch Fehlerquellen.

Als recht direkte Verfahren gelten hingegen die Methoden der Atomlithographie. Forscher machen sich hierbei die Lichtkräfte starker Laser zu Nutze. Denn zunächst induziert das Licht in den Atomen ein Dipolmoment, prägt ihnen also zwei elektrische Pole auf, um sie anschließend daran in den Bereich stärkster Intensität zu ziehen. So kann Laserlicht, das beispielsweise parallel zu einer Substratoberfläche strahlt, einer Linse gleich senkrecht dazu einfallende Atome auf einer Unterlage fokussieren.

Allerdings bedarf es im Allgemeinen eines recht komplexen Lichtmusters, um mit Atomlithographie Nanostrukturen herzustellen. Und das war bislang die Crux an dieser Methode, denn mit Spiegeln und aufwändiger Optik das geeignete Muster zu erzeugen, ist fast komplizierter, als gleich ein anderes Lithographie-Verfahren zu wählen. Einen Ausweg scheinen nun Physiker der Universität Bonn gemeinsam mit Kollegen der Universität Osnabrück gefunden zu haben.

Die Forscher verwendeten einen so genannten photorefraktiven Kristall, der wie ein holographischer Spiegel wirkt. Mit Licht lassen sich quasi die Brechungseigenschaften eines solchen Materials – in diesem Fall war es ein Eisen-dotierter NiNbO₃-Kristall – programmieren. Dazu zielten Mario Mützel und seine Kollegen mehrere Stunden mit drei starken Laserstrahlen aus leicht unterschiedlicher Richtung auf den erhitzten Kristall. Nach dieser Behandlung warf der abgekühlte Kristall das Licht in die gleichen drei Richtungen, wenn er zentral von einem Laser beschienen wurde. Aus der Überlagerung der drei Lichtstrahlen ergab sich schließlich durch Interferenz ein periodisches Hell-Dunkel-Muster.

Das Muster konnte nun wiederum als Maske für Cäsium-Atome dienen, die in einem Strahl senkrecht zu ihm das Lichtfeld durchtraten und sich dabei an den hellsten Stellen orientierten. Auf der Probenoberfläche angekommen, zerstörten die Atome eine organische Lackschicht und legten so die darunter liegende Goldschicht genau an den Stellen frei, die das Lichtmuster vorgab. Alternativ kann man auf diese Weise aber auch direkt Atome auf einer Unterlage deponieren.

Zunächst entstanden mit der Methode nur streifenförmige Muster aus Gold. Doch auch andere periodische Strukturen sind denkbar, denn das Verfahren eignet sich prinzipiell auch dazu, Muster aus bis zu 1000 überlappenden Strahlen zu erzeugen. Weiterhin kann ein Kristall auch mehrere verschiedene Muster speichern, wenn man ihn ein wenig dreht oder ihn mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt. Selbst Atomstrahlen aus mehreren verschiedenen Elementen ließen sich fokussieren, wenn für jedes Element eine entsprechende Maske vorläge.

Da sich mit dieser Methode vor allem periodische Strukturen schaffen lassen, könnte sie sich besonders dazu eignen, photonische Kristalle zu erzeugen – also Strukturen, mit denen sich Licht in ähnlicher Weise steuern lässt wie die Elektronen in den elektrischen Leiterbahnen eines Halbleiter-Chips.