Ionenstrahlen lassen Nano-Drähte wachsen

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

Ein menschliches Haar ist 2000 mal dicker als der Draht mit 10 bis 20 Nanometern Durchmesser, wie ihn Physiker im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) herstellen können. 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.

Ein mit dem FIB "durchgeschnittener" Nanodraht mit einem Durchmesser <100 Nanometer. Die Querschnittsstruktur des Drahtes im Siliziumkristall ist gut erkennbar. Foto: FZD

Nano-Drähte werden für technische Anwendungen der Zukunft in der Nano-Elektronik und Nano-Optik eine wichtige Rolle spielen. Nano-Drähte könnten etwa die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Strukturen vorantreiben oder die Datenübertragung mit Licht verbessern. Nano-Technologien spielen zwar für die Produkte der Mikroelektronik-Industrie bereits eine gewisse Rolle, doch sind heute vornehmlich Nano-Technologien auf chemischer Basis, etwa zur Beschichtung und Versiegelung von Oberflächen, im Einsatz.

Die Physiker im FZD bedienen sich zur Herstellung von Nano-Drähten des Werkzeuges eines fein gebündelten Ionenstrahls, also eines Strahls aus schnellen, elektrisch geladenen Atomen. Dr. Lothar Bischoff erläutert die Vorgehensweise so: "Mit der Technik des fein gebündelten Ionenstrahls haben wir eine Art Nano-Werkzeug zur Verfügung, mit dem es mühelos gelingt, 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 gelingt es uns, den Ausgangspunkt des Drahtes und die Länge exakt zu bestimmen. Die Probe wird dann aufgeheizt und selbstorganisierende Keimbildungs- und Wachstumsprozesse führen zur Bildung des endgültigen Nano-Drahtes."

So ist es jetzt gelungen, Nano-Drähte mit Durchmessern von 10 bis 20 Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) und in Längen von bis zu 10 Mikrometern (1 Mikrometer = 1 Tausendstel Millimeter) herzustellen. Der Herstellungsprozess besteht aus 2 Schritten: Zunächst bedampft man die Rückseite einer Silizium-Scheibe mit einem dünnen Kobaltfilm. Anschließend werden mit dem fein gebündelten Ionenstrahl Ionen 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 im Ergebnis 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.

Ein weiterer Vorteil der Ionenstrahl-Technik ist, dass in verschiedene Materialoberflächen Nano-Drähte aus unterschiedlichen Ionen-Sorten - wie Gold oder Platin - implantiert werden können. Hierfür ist langjähriges Know-How für den Einsatz von fein fokussierten Ionenstrahlen (im Fachjargon "Focussed Ion Beam", abgekürzt FIB) notwendig, das im FZD vorliegt. Die Forschungsergebnisse wurden jüngst in der Zeitschrift "Applied Physics Letters" veröffentlicht.

Quelle: Pressemitteilung Informationsdienst Wissenschaft e.V.