UV-Licht-Sensoren aus dem Backofen

Wissenschaftlern der Universität Kiel ist es gelungen, innerhalb weniger Sekunden Nanostrukturen zu „backen“, um damit ultraschnelle Sensoren für UV-Licht herzustellen, wie sie beispielsweise in Brandmeldern oder Wasseraufbereitern zum Einsatz kommen. In der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ berichten sie über das neue Herstellungsverfahren.



Metallerne Box mit vorne heruntergelassender Klappe, die einen Blick ins Innere gewährt. Dort befindet sich eine helle schaumartige Substanz.
Blick in den Brennofen

Die Forscher verbanden die Elektroden auf einem Chip über zusammenhängende vierarmige Zinkoxidkristalle – ein Netzwerk, tausend Mal dünner als ein menschliches Haar. Diese Nanotetrapoden, deren Arme sich gegenseitig durchdringen, erzeugten sie in einem einfachen Brennofen mittels einer neuen und so genannten Flammentransport-Synthese. Lediglich hohe Temperaturen unter ansonsten normalen Bedingungen braucht es, um aus den Zinkpartikeln Nanotetrapoden herzustellen. Der Chip wird nur kurz über die Flamme gehalten: „Die Methode erlaubt uns auf diese Weise sogar, die winzigen Zinkoxid-Netzwerke direkt auf einem Chip wachsen zu lassen – und das in Sekundenschnelle“, berichtet der Wissenschaftler Yogendra Kumar Mishra. Die hohen Temperaturen sorgten dabei für eine dichte Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten und den Nanostrukturen, die die Leistung des Sensors erheblich verbessert. Der so in nur einem Schritt hergestellte Sensor reagierte innerhalb von Millisekunden auf die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht.

Eine der größten Herausforderungen beim Bau eines solchen Sensors mit Nanostrukturen ist es, die kleinen elektrischen Kontakte auf den Chips über extrem winzige Strukturen zu verbinden, die gut auf ultraviolettes Licht reagieren. Die meisten der bisher angewendeten Herstellungsmethoden solcher Strukturen funktionieren nur unter speziellen Bedingungen. Darüber hinaus ist ein weiterer aufwändiger Schritt nötig, um die erzeugten Nanopartikel in einen Chip einzufügen – wobei die häufig verwendeten Halbleitermaterialien wie Silizium und Galliumnitrid nur eingeschränkte Lichtempfindlichkeit besitzen und in rauen Umgebungen nicht gut als Sensoren einsetzbar sind.

Sensoren, die auf Zinkoxid basieren, seien für verschiedene Anwendungen sehr vielversprechend, so Mishra. „Zinkoxid-Nanostrukturen sind wegen ihrer UV-Lichtempfindlichkeit und ihren elektrischen und mechanischen Eigenschaften sehr interessant für multifunktionale Anwendungen“, erklärt der Wissenschaftler. Auch weil das neue Herstellungsverfahren auf teure Geräte und giftige Chemikalien verzichtet, ist es insbesondere für die Industrie interessant.

Schema der Zinkoxid-Nanostrukturen

„Es gab schon erste Nachfragen von Unternehmen aus Schleswig-Holstein. Unsere Grundlagenforschung erzielt also Ergebnisse, die über einen innovativen Technologietransfer in konkrete Anwendungen überführt werden können“, erzählt Rainer Adelung, Leiter der Forschungsgruppe. Einer der nächsten Schritte der beteiligten Materialwissenschaftler ist es deshalb, die Nanotetrapoden in größerem Stil produzieren zu können. Zink als Mineralstoff ist außerdem lebenswichtig für den menschlichen Organismus, was die Nanostrukturen auch für die Biomedizintechnik interessant macht.