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Milli, Mikro, Nano

Kleine Bauelemente mit großer technologischer Bedeutung werden am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) der TU Wien hergestellt.

ZMNS-Reinraum-Geräte

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In einem eigenen Reinraum und mit einem großen Park an modernen Geräten werden an der TU Wien Objekte mit kleinsten Strukturen produziert. Dazu gehören Bauelemente für die Mikro- und Nanoelektronik, für die Sensorik sowie auch neuartige Detektoren und Lichtquellen im Mikro-Format. Das ZMNS forscht an eigenen wissenschaftlichen Projekten und liefert gleichzeitig wichtige Bauelemente für andere Forschungsgruppen der TU Wien. "Grundlagenforschung ist für uns genauso wichtig wie die Anwendung", betont Prof. Gottfried Strasser, Leiter des ZMNS. Er leitet auch das fächerübergreifende Projekt "Next Generation Light Synthesis and Interaction" (Spezialforschungsbereich).

Kleiner als klein
Die Abmessungen von Nanostrukturen verhalten sich zu unseren Alltagsgegenständen ähnlich wie unsere Körpergröße zur Größe der Erde. Die technischen Herausforderungen am ZMNS liegen aber nicht bloß im Umgang mit diesen winzigen Größenordnungen. "Ganz wichtig ist es für uns, neue Materialien zu verwenden", erklärt Strasser. Dadurch können die Bauelemente ganz andere elektronische Eigenschaften annehmen. Neben üblichen Halbleitermaterialien wie Silizium oder Germanium werden auch Oxide und Metalle verarbeitet. In Zukunft wird auch das Kohlenstoff-Material Graphen eine noch größere Rolle spielen.

Gallium-Nitrid ist ein Material, das erst seit kurzer Zeit beherrschbar ist. Daraus werden Hochleistungstransistoren hergestellt, mit denen verhältnismäßig starke Ströme geschaltet werden können. Das ist etwa für Hybridautos wichtig, in denen große Energiemengen in kurzer Zeit hin- und hergeleitet werden müssen.

Oft möchte man verschiedene Materialien kombinieren. Durch ausgeklügelte Schichtsysteme kann man dafür sorgen, dass Elektronen die gewünschten Energiezustände einnehmen oder an der Grenzschicht festgehalten werden. Wenn allerdings die Abstände zwischen den einzelnen Atomen in den beiden Materialien unterschiedlich sind, lassen sie sich nicht ohne Verbiegungen und Verzerrungen zusammenfügen.

Eindimensional, zweidimensional, dreidimensional
Eine Lösung für dieses Problem bieten niedrigdimensionale Strukturen. Wenn man statt eines dreidimensionalen Blocks bloß einen dünnen Nano-Draht herstellt, ist die Kombination viel einfacher. Aus vielen dicht gepackten Nanodrähten könnten sich zum Beispiel effizientere Solarzellen bauen lassen, die ein breites Spektrum an Lichtwellenlängen absorbieren.

Doch Nanostrukturen können nicht nur absorbieren, sondern auch Licht aussenden. Am ZMNS werden spezieller Quantenkaskadenlaser (QCLs) hergestellt. Sie bestehen aus vielen Schichten, an die eine elektrische Spannung angelegt wird. Die Energiezustände der Elektronen lassen sich so einstellen, dass die Elektronen von Schicht zu Schicht wie auf einer Treppe in immer tiefere Energiezustände fallen und dabei jedes Mal ein Photon aussenden. Durch die Geometrie der Struktur kann ganz präzise festgelegt werden, welche Wellenlänge das ausgesandte Licht haben soll. Dadurch werden Quantenkaskadenlaser zu einem wunderbaren Werkzeug für Spektroskopie, etwa um Sensoren für gefährliche Chemikalien herzustellen.

Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Herangehensweisen bei der Fertigung von Mikrostrukturen: Beim Top-Down-Ansatz startet man mit dem fertigen Material und bringt es dann in Form, zum Beispiel durch Ionenbeschuss, beim Bottom-Up-Ansatz lässt man die Materialien gezielt in der richtigen geometrischen Form wachsen. "In der Industrie wird noch immer eher die Top-Down-Variante angewandt, doch das genügt heute nicht mehr", sagt Strasser. An der TU Wien werden beide Strategien miteinander verbunden, um auch in Zukunft bei der Entwicklung von Nanostrukturen vorne mit dabei sein zu können.