Gewickelte Nanoröhrchen

Wie sich ein Nanoröhrchen aufrollt

Bildbeschreibung:
Schematische Darstellung des Aufrollprozesses. Sobald die verspannte Doppelschicht durch selektives Ätzen vom eigenen Substrat gelöst wird, rollt sich die epitaktisch definierte Schicht zu einem Nanoröhrchen auf.

Nanoröhrchen aus Kohlenstoffatomen gehörten zu den wissenschaftlichen Highlights des vergangenen Jahres. Wissenschaftler vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung haben jetzt eine sehr einfache Methode dazu benutzt, um solche winzigen Röhrchen auch aus anderen Materialien, wie Halbleitern, Metallen oder Polymeren, herzustellen. Diese Technik erlaubt außerdem, Nanotubes schichtgenau aufzubauen und gezielt zu positionieren. Damit rückt das kontrollierte Design von Nano-Objekten für neue mikro- und nano-elektromechanische Systeme ein ganzes Stück näher.

Wenn sich eine unter innerer Spannung stehende Halbleiterschicht von der sie tragenden Kristallschicht ablöst, wickelt sich diese Schicht zu einem Röhrchen auf. Das ist - ganz einfach ausgedrückt - das technische Grundprinzip, das die Stuttgarter Max-Planck- Forscher für die Herstellung von Nanoröhrchen entwickelt haben. Sie bringen auf ein Halbleitersubstrat zunächst eine Opferschicht und darüber dann zwei dünne Lagen aus Materialien auf, die unterschiedliche Kristalleigenschaften haben. Die obere Schicht hat eine kleinere, die untere Schicht eine größere Gitterkonstante. Dadurch entsteht zwischen beiden Lagen eine Verspannung, wie bei einem Bimetall.

Wird nun die Opferschicht schrittweise vom Substrat weggeätzt (Abb. 1), löst sich die darüber liegende Doppelschicht als dünne Folie ab. Wegen der unterschiedlichen inneren Spannung der beiden Schichten rollt sich die Folie wie eine Feder ein und bildet - nach einer vollständigen Rotation - ein einfaches Nanoröhrchen. Ein derart aufgewickeltes Nanoröhrchen zeigt Abb. 2. Dieses Röhrchen besteht aus einer Silizium-Germanium-Folie, die zuvor auf einem Siliziumsubstrat aufgebracht worden war. "Wir haben schon Nanotubes hergestellt, die sich bis zu 30- mal aufrollten", erklärt Oliver Schmidt, einer der beiden Nature- Autoren. "Eine faszinierende Möglichkeit dieser Technologie besteht darin, dass man die Nanotubes jetzt an fast jeder Stelle auf der Substratoberfläche erzeugen kann.

Nanoröhrchen aus Silizium und Germanium

Bildbeschreibung:
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Silizium-Germanium- Nanoröhrchens, dass sich kontrolliert entlang der Kante eines Siliziumsubstrats aufgerollt hat.
 

In dem abgebildeten Fall wurde die Position präzise durch die Probenkante und die Dauer des selektiven Wegätzens der Opferschicht bestimmt", sagt Schmidt. "Statt der Probenkante könnte man in die Schichten auch an einer bestimmten Stelle einen Nanoschlitz einritzen, der dann zum Ausgangspunkt für das Aufrollen des Nanotube würde", erläutert er weiter.

Das Röhrchen in Abb. 2 ist mit 530 Nanometer und einer Länge von 20 Mikrometern noch immer relativ groß. Doch die neue Nanotechnologie ermöglicht es, die Größe der Nanotubes über ein sehr breites Größenspektrum gezielt zu bestimmen. Die eingebaute Verspannung der in diesem Fall verwendeten Silizium-Germanium- Doppelschicht betrug nur 1,5 Prozent. Baute man eine vierprozentige Verspannung (das entspricht der Spannung zwischen reinem Silizium und reinem Germanium) in eine Doppelschicht von zwei Atomlagen Dicke ein, so würde sich der Radius des Nanotubes auf einige wenige Nanometer reduzieren. Aufdampftechniken wie die Molekularstrahl- Epitaxie ermöglichen es, unterschiedlichste Materialien - darunter Halbleiter, Isolatoren, Metalle, Polymere - in fast unbegrenzter Vielfalt miteinander zu kombinieren. Schmidt meint deshalb: "Aus diesem Reichtum an Kombinationen können neue Nanoobjekte in heute nicht vorstellbarer Vielfalt entstehen, die ihre Anwendung in dem weiten und sehr interdisziplinären Feld von mikround nano-elektromechanischen Systemen finden werden."