Nanotechnologie der nächsten Generation

Von der Materialanalyse zur Materialbearbeitung und -veränderung: Ein EU-Forschungsnetzwerk will die Technologie zur Erzeugung von Nanostrukturen mit fein fokussierten Ionenstrahlen voranbringen.

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Um Mikrostrukturen von Materialien zu analysieren, unterscheiden Erhard Hornbogen, Hans Warlimont und Birgit Skrotzki in "Metalle" zwischen mikroskopischen und makroskopischen Methoden. Zu den Ersteren zählen sie neben der klassischen Lichtmikroskopie, der Rasterelektronenmikroskopie oder der Atomsondenspektroskopie auch die Ionenfeinstrahltechnik (Focused Ion Beam, FIB). Diese Analysemethode ähnele der Rasterelektronenmikroskopie, verwende zur Abbildung aber anstelle eines Elektronenstrahls einen Ionenstrahl (meist Gallium): "Beim Auftreffen auf die Probe werden in der Oberfläche Atome herausgeschlagen sowie Sekundärionen und Elektronen erzeugt, die zur Abbildung verwendet werden" (Seite 217). Die starken Wechselwirkungen des Ionenstrahls mit der Oberfläche könnten auch zur Materialbearbeitung im Nanobereich genutzt werden, führen die Springer-Autoren aus, was diese Technik etwa für die Präparation von Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie interessant mache. 

Aber FIBs können noch viel mehr, sind Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) überzeugt. In dem von ihnen initiierten EU-Netzwerkprojekt "Fokussierte Ionentechnologie für Nanomaterialien (Fit4Nano)" mit einer vierjährigen Laufzeit bis 2024 wollen sie Forschungsinstitute und Unternehmen aus ganz Europa zusammenbringen, um die Technologie gemeinsam weiterzuentwickeln und neue Anwendungen zu erschließen.

Charakteristisch für FIBs im niedrigen Energiebereich von unter 50 keV seien der geringe Strahldurchmesser im Nano- und Subnanometer-Bereich, eine hohe Stromdichte sowie eine vielfältige Auswahl an nutzbaren Ionen. "Aufgrund dieser Eigenschaften haben fokussierte Ionenstrahlen ein großes Potential für viele weitere Anwendungen in der Nanotechnologie", sagt Gregor Hlawacek, Leiter der Arbeitsgruppe Ioneninduzierte Nanostrukturen am HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung; er ist auch Koordinator des Fit4Nano-Projektes. "Beispielsweise lassen sich damit im Nanobereich Oberflächen flexibel strukturieren oder lokale Materialeigenschaften gezielt verändern. Für die Quantentechnologie, die Halbleiterindustrie oder die Modifizierung von 2D-Materialien, die aus nur einer oder wenigen Lagen von Atomen oder Molekülen bestehen – könnte unsere Technologie bedeutsam werden." Auch bei Anwendungen in der Medizin, ist Hlawacek überzeugt, werden FIBs zukünftig eine wichtige Rolle spielen.

Fokussierte Ionenstrahltechnologie wird weiterentwickelt

Im Mittelpunkt von Fit4Nano stehen sowohl funktionelle Nanostrukturen und -materialien als auch Ionenstrahl-basierte Analysemethoden. "Wir haben drei inhaltliche Schwerpunkte definiert", sagt Hlawacek. "Da ist zum einen die Weiterentwicklung der fokussierten Ionenstrahltechnologie, dann ihre Anwendung auf nanostrukturierte Funktionsmaterialien und schließlich der theoretische Hintergrund zu den Wechselwirkungen zwischen Ionen und Festkörpern." Zum Beispiel lassen sich auf der Nanoebene die elektrischen Eigenschaften von 2D-Materialien so verändern, sodass aus Leitern Halbleiter werden. In Richtung Quantenkommunikation zielen die Forschung zu Defekten in 2D-Materialien und der Einbau einzelner Ionen. Eine Anwendung mit Heliumionen, die Heliumionen-Mikroskopie, ermöglicht direkte Einblicke in biologische Proben wie Zellstrukturen und Viruspartikel, so etwa auch in die Interaktion von SARS-CoV-2 mit zur Herstellung von Impfstoffen genutzten sogenannten Vero-Zellen – dies ein aktueller Beitrag der Ionenstrahlphysik zur Entwicklung neuer Vakzine gegen Corona-Viren, heißt es in einer Mitteilung des HZDR. Die Forscher nutzen FIBs darüber hinaus, um etwa Degradationsprozesse in Lithium-Akkumulatoren zu erkennen oder Mineralien in neuen Erzlagerstätten auf die Spur zu kommen. 

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