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14.08.2013 | Fertigungstechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Sägen mit Kohlenstoff-Nanoröhren

Autor:
Dieter Beste

Bei der Herstellen von Siliziumwafern könnte sich künftig der Schnittverlust reduzieren und somit wertvolles Material einsparen lassen. Ein neues Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung hauchdünner Sägedrähte aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit Diamant beschichtet sind.

Aufgrund ihrer Härte spielen Diamanten auch in der Technik eine herausragende Rolle, schreibt Springer-Autor Florian Neukirchen in „Edelsteine“. Als Pulver oder Paste dienen sie als Schleif- und Poliermittel, und in vielen Werkzeugen sind winzige Diamantkristalle in das Metall einer Trennscheibe, in Bohrmeißel oder in die Kette einer Säge eingebettet.

Das Heraussägen von Siliziumscheiben (Wafern) mit einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm aus Siliziumblöcken geschieht in der Regel mit Diamant belegten Stahldrähten. Dabei geht jedoch annähernd die gleiche Menge dieses kostbaren Vorprodukts als Sägestaub verloren: Ein kostentreibendes Herstellungsdefizit bei der Wafer-Fertigung in der Photovoltaik- und Halbleiterindustrie, wie die Springer-Autoren Hans-Günther Wagemann und Heinz Eschrich in „Photovoltaik“ bedauern.

Jetzt haben Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg zusammen mit Kollegen der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation CSIRO ein Konzept für einen Sägedraht entwickelt, der künftig die Verluste erheblich reduzieren könnte: Statt diamantgespickter Stahldrähte verwenden die Forscher hauchdünne und extrem stabile Fäden aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit Diamant beschichtet werden.

Eine Unachtsamkeit war der Schlüssel für die Lösung

Beschichtete Kohlenstoff-Nanoröhren gelten schon lange als vielversprechend: Denkbar ist die Verwendung als harter und zäher Verbundwerkstoff oder als Element hochempfindlicher Sensoren. Doch die Synthese des neuen Werkstoffs ist außergewöhnlich schwierig. Der Grund: Diamant wächst nur unter extremen Bedingungen – bei Temperaturen um 900 Grad Celsius in einer kohlenwasserstoffhaltigen Atmosphäre. Ihn zu züchten ist diffizil, weil Kohlenstoff bevorzugt Graphit bildet. Um dieses von der Oberfläche der Nanoröhrchen fernzuhalten, setzten die Ingenieure vom IWM reaktionsfreudigen Wasserstoff ein, der das Graphit wieder wegätzt. Bei diesem Prozess litten allerdings auch die Kohlenstoff-Nanoröhren.

Doch der IWM-Wissenschaftler Manuel Mee fand eine Lösung, die feinen Kohlenstoffröhrchen, die wie Wälder auf einem Substrat wachsen, zu schützen: „Bei unseren ersten Versuchen war Quarzglas aus der Reaktionskammer unbeabsichtigt in Kontakt mit dem Beschichtungsplasma gekommen. Es hatte sich auf das Substrat gelegt und dieses vor dem aggressiven Wasserstoff geschützt.“ Auf dieser Schicht wuchs tatsächlich Diamant. Tests mit dem Transmissionselektronenmikroskop am CSIRO in Australien ergaben, dass die Nanoröhren unter dieser Schutzschicht tatsächlich überlebt hatten.

Das australische Team am CSIRO ist einer der weltweiten Experten, die Garne aus Kohlenstoff-Nanoröhren herstellen können. Die Produktion erfordert spezielle „Kohlenstoff-Nanorohr-Wälder“, die als hauchdünner Filz abgezogen und durch Verdrehen in ein sehr dünnes Garn von zehn bis zwanzig Mikrometern Durchmesser verarbeitet werden können. Wenn es nun noch gelänge, dieses Garn mit Diamant zu beschichten, ließen sich daraus hauchdünne Sägen herstellen.

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Quelle:
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