Positionierung von Nanodrähten

Oberflächenkontrollierten Kontaktdruck für eine effiziente Fertigung von Nanodrahtsystemen

  • Abb. 1: Silizium-Nanodrähte auf dem Wachstumssubstrat hergestellt mit dem „vapor-liquid-solid-Verfahren [2]. Die Synthese erfolgte unter Einsatz von Gold-Nanopartikeln als Katalysator und SiH4 als Synthesegas. Abb. 1: Silizium-Nanodrähte auf dem Wachstumssubstrat hergestellt mit dem „vapor-liquid-solid-Verfahren [2]. Die Synthese erfolgte unter Einsatz von Gold-Nanopartikeln als Katalysator und SiH4 als Synthesegas.
  • Abb. 1: Silizium-Nanodrähte auf dem Wachstumssubstrat hergestellt mit dem „vapor-liquid-solid-Verfahren [2]. Die Synthese erfolgte unter Einsatz von Gold-Nanopartikeln als Katalysator und SiH4 als Synthesegas.
  • Abb. 2: Schematische Darstellung des Nanodrahtkontaktdrucks unter Einsatz verschiedener Fängerstrukturen auf der Oberfläche zur großflächigen Integration von Nanodrähten in funktionelle Bauelemente.
  • Abb. 3: Fängerstrukturen aus Gold: (a) einfache Struktur mit rechteckiger Grundfläche, (b) Fänger mit dreieckiger Grundfläche und zusätzlichen lateralen Fängerelementen („Führungsschiene“). Der Pfeil zeigt jeweils die Druckrichtung bzw. die Bewegungsrichtung des Nanodrahtsubstrats.
Silizium-Nanodrähte werden seit über 15 Jahren intensiv als vielversprechende Messfühler für zahlreiche Anwendungen, z.B. im Bereich der chemischen und biochemischen Sensorik, diskutiert. Obwohl zahlreiche potentielle Anwendungen bereits in der Fachliteratur vorgestellt wurden, hat es bislang keiner dieser Demonstratoren in eine breite kommerzielle Anwendung geschafft. Ein wesentlicher Grund hierfür ist das Fehlen einer Technologie, welche eine effiziente Fertigung von Nanodrahtsystemen in Richtung kostengünstiger Massenfabrikation unterstützen würde [1]. Allgemein kann jedoch für die Erzeugung von miniaturisierten elektronischen Systemen auf eine breite Palette von etablierten Mikrotechnologien zurückgegriffen werden, wie sie bereits langjährig für die konventionelle Elektronik eingesetzt und entwickelt wurden.
 
Herstellung von Nanodrähten
 
Für die Herstellung von Nanodrähten selbst stehen auch zahlreiche Technologien zur Verfügung, wobei grundsätzlich zwei Strategien „top-down“ und „bottom-up“ mit ihren individuellen Vor- und Nachteilen unterschieden werden können. Bei den sog. „top-down“-Verfahren wird die Nanostruktur mit Hilfe geeigneter Maskierungs- und Ätzverfahren aus kompaktem Silizium oder einem anderen Material  herausgearbeitet. Hingegen werden bei den „bottom-up“-Verfahren die Nanodrähte direkt, ausgehend von einem Keimpunkt, gewachsen. Eine der bedeutendsten bottom-up Synthesen ist das bereits Mitte der 60er Jahre entdeckte katalytische „vapor-liquid-solid“-Verfahren [2]. Unter Einsatz, z. B. von Gold-Nanopartikeln als Katalysator auf einer geeigneten Unterlage wie Silizium oder Glas, können so einkristalline Silizium-Nanodrähte in extrem hoher Dichte und hoher Qualität hergestellt werden (Abb. 1). Durch präzise Kontrolle der Wachstumsparameter können auch physikalische Eigenschaften, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit der Nanodrähte, gezielt in axialer Richtung moduliert werden.
 
Sowohl die etablierte „bottom up“ Synthese als auch das hohe Technologieverständnis stellen prinzipiell exzellente Voraussetzungen für die Fertigung miniaturisierter Sensoren auf Nanodrahtbasis dar.

Die Fertigung von Nanodrahttransducern z. B. als Ionen-sensitiver-Feldeffekttransistor, erfordert jedoch im einfachsten Falle die Anbringung von elektrischen Kontakten an einem einzelnen Nanodraht, welcher planar auf einer isolierenden Unterlage vorliegen sollte. Darüber hinaus ist es auch erforderlich, die genaue Position der einzelnen Nanodrähte auf der Sensorunterlage zu kennen, um die funktionelle Integration parallel ausführen zu können. Die zu bewältigende Aufgabe bzw. das „missing link“ in der Fertigungstechnologie besteht folglich daraus, nach der „bottom up“  Synthese aus dem „Pelz“ von Nanodrähten (vgl. Abb. 1) einzelne Drähte zu entnehmen und effizient auf einer neuen Unterlage mit exakt bekannter Position planar und reproduzierbar abzulegen.

 
Positionierung von Nanodrähten durch Kontaktdruck
 
Eine sehr etablierte Strategie im Bereich der Forschung ist die Nanodrähte auf ihrem Wachstumssubstrat in eine Flüssigkeit, z.B. Ethanol, einzulegen. Durch Ultraschallbehandlung können die Nanodrähte abgelöst und in die Flüssigkeit suspendiert werden. Durch Aufbringung eines Tropfens der Nanodraht­suspension auf eine neue funktionelle Oberfläche und Verdampfen des Dispersionsmediums können Nanodrähte planar übertragen werden. Da hierbei jedoch eine nahezu zufällige Anordnung der Nanodrähte vorliegt, muss jeder einzelne Nanodraht individuell mikrotechnologisch integriert werden, was im groben Widerspruch zu einer parallelen und kosten­günstigen Fertigung steht. Eine Verbesserung der Anordnung konnte zwar z.B. durch elektrische Felder (Dielektrophorese) oder auch durch Flüssigkeitsströmungen erreicht werden, allerdings sind auch diese Techniken eher aufwändig und gestatten nur eine sehr eingeschränkte Kontrolle der Position von einzelnen Nanodrähten [1].
 
Eine einfache aber sehr effektive Technik ist hingegen der sog. Nanodrahtkontaktdruck. Hierbei wird das mit den Nanodrähten dekorierte Substrat auf der neuen funktionellen Unterlage so positioniert, dass die Drähte im mechanischen Kontakt mit der Unterlage stehen (Abb. 2). Werden die Nanodrähte vergleichend zu einer Bürste über die neue Unterlage geführt, so richten sich diese parallel entgegen der Scherrichtung aus. Sobald die Reibkraft zwischen der Unterlage und dem Nanodraht einen kritischen Wert übersteigt, brechen die Nanodrähte von ihrer ursprünglichen Unterlage ab und werden in paralleler Anordnung auf die neue funktionelle Unterlage übertragen. Das Grundprinzip des Nanodrahtkontaktdrucks wurde bereits von Javey et al. [3] vorgestellt und später weiterentwickelt [4].
 
Es erlaubt den Druck von Nanodrähten in hoher Dichte, wobei diese z.B. direkt über den Anpressdruck gesteuert werden kann. In der ursprünglichen Form des Nanodrahtkontaktdrucks konnte eine lokale Anordnung nur dadurch erreicht werden, dass die nicht zu bedruckenden Bereiche zuvor mit einer mikrostrukturierten Lackschicht bedeckt wurden. Diese wird nach dem Druck mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels entfernt, was allerdings das inhärente Risiko trägt, dass die Nanodrahtanordnungen hierdurch wieder verändert werden können. Auch eine Positionierung von einzelnen Nanodrähten ist nur sehr bedingt möglich und erfordert hochpräzise Strukturierungstechniken, wie z. B. die Elektronenstrahllithographie. Darüber hinaus war ein Gleitmittel (Mineralöl) zwischen den Nanodrähten und der neuen Unterlage empfohlen, um auf Grund der hohen Anpressdrücke abrasive Schädigungen zu minimieren. Auch der Einsatz und die nachträgliche Entfernung von Mineralöl ist als kritisch zu betrachten, da hierdurch z. B. die Qualität der nachfolgend aufzubringenden Kontakte beeinträchtigt werden könnte. Basierend aber auf dem großen Potential dieser Drucktechnik haben wir das Verfahren weiterentwickelt, um einzelne Nanodrähte mit bekannter Position ohne den Einsatz von Gleitmitteln oder dem Erfordernis einer nachträglichen Lackentfernung auf einer neuen Unterlage positionieren zu können [5].
 
Die Grundlage dieses zum Patent angemeldeten Verfahrens ist, dass der Nanodrahtkontaktdruck auf Reibung beruht, wobei jeder einzelne Nanodraht individuell mit der Unterlage interagiert. Diese tribologische Interaktion wird durch Weglassen eines Gleitmittels sogar noch maßgeblich verstärkt. Existieren nun lokale Unterschiede in den Reibkoeffizienten, so drückt sich dies in einer unterschiedlichen Wahrscheinlichkeit zur Deposition eines Nanodrahts aus. Da durch die Wahl und Art der Nanodrähte die Eigenschaften des einen Reibpartners bereits festgelegt sind, verbleibt nur das Zielsubstrat als variable Größe. Lokale Unterschiede in der Reibung lassen sich z. B. einfach durch Einsatz verschiedener Materialien erzeugen. In unseren Untersuchungen mit Silizium-Nanodrähten haben wir uns beispielhaft mit den Materialien Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Gold beschäftigt und konnten hier, bei sonst gleichen Druckparametern, signifikante Unterschiede in der Nanodrahtdichte feststellen. Ähnliche Effekte wurden auch durch Veränderung der Oberflächentopographie, der Oberflächenrauigkeit bzw. durch Aufbringung von Nanopartikel erzielt. Bei der Gestaltung von Oberflächen zur Modifizierung stehen somit nicht nur zahllose Möglichkeiten an Materialien und Strukturen zur Verfügung, sondern die einzelnen Komponenten und Effekte können auch kombiniert werden bzw. stehen auch untereinander in Konkurrenz.
 
Dieser Aspekt beinhaltet die Möglichkeit, einzelne Bereiche für den Druck zu aktivieren bzw. auch zu deaktivieren, was z. B. für sequentielle Drucke sehr relevant ist. Die gesamten Maßnahmen zur lokalen Veränderung von Reibung lassen sich schlussendlich im sog. Konzept der Fängerstrukturen zusammenfassen. Eine Fängerstruktur verändert lokal die Reibung derart, dass ideal nur ein einzelner Nanodraht an hier hängen bleibt (Abb. 3). Die Fängerstrukturen werden vor dem Druck auf der neuen funktionellen Unterlage erzeugt, was vergleichsweise kostengünstig und großflächig mit Hilfe konventioneller Mikrofabrikation erfolgen kann. Da die Position der Fängerstrukturen bekannt ist, ist auch die Ausrichtung und Position der Nanodrähte nach dem Druck bekannt, so dass auch hier parallele und großflächige Integrationstechnologien zum Einsatz kommen können. Obwohl bereits jetzt, je nach Sensordesign, Ausbeuten im Bereich von 60 bis 80% realistisch erscheinen, befindet sich das Verfahren noch immer im Anfangsstadium. Neben geeigneten Modellen zur Effektivierung der Fängerstrukturen und auch der Entwicklung verbesserter Druckmaschinen gilt es diese Drucktechnik auch auf zahlreiche Unterlagen und Nanodrahtarten auszudehnen. Durch optimierte Wahl der Materialien werden so durch den oberflächenkontrollierten Nanodrahtkontaktdruck  kostengünstige und nachhaltige Sensoren zur einmaligen Anwendung denkbar.
 
Danksagung
 
Die Forschungsarbeiten wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (FKZ: 13N12545) gefördert.
 
Autor
Steffen Strehle
 
Kontakt   
Universität Ulm
Institut für elektronische Bauelemente 
und Schaltungen
Ulm
steffen.strehle@uni-ulm.de

Referenzen
[1] M. Kwiat et al., Nano Today 8 (2013) 677, DOI: 10.1016/j.nantod.2013.12.001
[2] R.S. Wagner und W.C. Ellis, Appl. Phys. Lett. 4 (1964) 89, DOI: 10.1063/1.1753975
[3] A. Javey, et al., Nano Lett. 7 (2007) 773, DOI: 10.1021/nl063056l
[4] J. Yao, et al., Nature Nanotechnol. 8 (2013) 329, DOI: 10.1038/nnano.2013.55.
[5] D. Roßkopf and S. Strehle, Nanotechnol. 27 (2016) 185301, DOI: 10.1088/0957-4484/27/18/185301

Mehr Artikel zur Nanotechnologie

 

Kontaktieren

Universität Ulm / EBS
Albert-Einstein-Allee 45
89081 Ulm
Deutschland
Telefon: +49 731 50 26159
Telefax: +49 731 50 26155

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.