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Automatisierte Bearbeitung, Charakterisierung und Manipulation auf der Nanoskala

Das Gebiet der Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien ist in den vergangenen Jahren zu einem der wichtigen Forschungsfelder in den Materialwissenschaften und Nanotechnologie geworden. Aufgrund der überragenden physikalischen Eigenschaften dieser Nanomaterialien gibt es zahlreiche potentielle Anwendungsgebiete. Wir befassen uns mit Nanomaterialien, die sich durch Abmessungen im Nanometerbereich in mindestens einer Dimension auszeichnen: Dieses sind unter anderem Kohlenstoff-basierte Materialien, wie Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Nanodrähte aus unterschiedlichen Materialien wie z.B. Gold, Silicium und Zinkoxid. Zum Teil können diese Materialien direkt als elektrisch leitende Strukturen eingesetzt werden und ermöglichen zudem neue Sensor- und Aktortechnologien, mit verbesserten Eigenschaften. Dabei ist besonders das Gebiet der nano-elektro-mechanischen Systeme (NEMS) zu erwähnen.

Um die Herstellungsverfahren dieser Nanomaterialien zu optimieren und prototypische Komponenten zu realisieren ist eine reproduzierbare Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung dieser Materialien zwingend erforderlich, wobei häufig die Integration von Nanomaterialien in bestehende Mikrosysteme und deren Prozessschritte eine der ungelösten Aufgaben ist. Automatisierte nanorobotische Systeme stellen dafür einen sehr vielversprechenden Ansatz dar, um die Lücke zwischen den sogenannten „Top-down“- und „Bottom-up“-Ansätzen zu schließen. Wir entwickeln nanorobotische Strategien zur Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien und bringt diese dadurch einen Schritt näher in Richtung Anwendung.

Nanorobotische Technologien und Systeme

Mit Hilfe unserer Laborausstattung entwickeln wir solche modularen nanorobotische Systeme, die eine automatisierte und reproduzierbare Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien ermöglichen. Unter anderem verwenden wir dabei folgende nanorobotischen Systeme und Technologien:

  • Modulare nanorobotische Systeme integrierbar in unterschiedliche Mikroskope (REM, AFM, SMM, OM) zur Analyse und Anwendung von ein-, zwei- und dreidimensionalen Nanomaterialen.
  • Scanverfahren, austauschbare Messspitzen und Driftkompensation für die automatisierte AFM-basierte Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien.
  • Kombination und Integration eines AFM/REM/FIB mit Gasinjektionssystem zur umfassenden Analyse und AFM-basierten Manipulation von Nanomaterialien mit visuellem Feedback.

Anwendungsfelder

Graphen

Graphen besteht aus einer Monolage von Kohlenstoffatomen, die in einem Honigwaben-artigen Gitter angeordnet sind. Es ist ein Material mit bemerkenswerten und einzigartigen Eigenschaften: Graphen ist das dünnste und härteste bekannte Material und zeigt die höchsten thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten bei Raumtemperatur, die jemals gemessen wurden. Es vereint sogar Eigenschaften, die sich tendenziell widersprechen: Graphen ist einerseits extrem steif, ist aber gleichzeitig biegsam und flexibel. Aufgrund dieser Merkmale erscheint Graphen als ein vielversprechender Kandidat für eine Vielzahl möglicher Anwendungen, beispielsweise für hochpräzise Sensoren, flexible elektronische Bauteile oder als Teil chemischer oder elektrischer Energiespeicher.

Die Handhabung und Manipulation von frei schwebendem Graphen verlangt nach angepassten experimentellen Aufbauten aufgrund der extrem großen Oberfläche und den damit verbundenen Adhäsionskräften. Dafür werden bei uns nanorobotische Systeme mit Werkzeugen wie Wolframspitzen mit hohem Aspektverhältnis, AFM-Cantilever oder Mikro-Sonden ausgestattet. Die robotischen Systeme befinden sich dabei innerhalb der Vakuumkammer eines hochauflösenden Rasterelektronenmikroskops, welches zusätzlich mit einem fokussierten Ionenstrahl sowie einem Gasinjektionssystem ausgestattet ist, welches eine flexible Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien bei gleichzeitigem visuellen Feedback erlaubt. Dadurch sind vielfältige Experimente realisierbar, die sowohl die Messung der lokalen elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Graphen als auch den Aufbau Graphen-basierter Prototypen ermöglichen.

Nanodrähte

Eindimensionale Objekte, wie Nanodrähte und Nanoröhren, wurden in den letzten Jahren viel erforscht und haben eine noch immer wachsende Bedeutung. Die kleinen Abmessungen dieser Materialien führen zu einem bereits quasi-quantenmechanischen Verhalten, welches die Materialeigenschaften ungemein verbessert. Einige Nanodrähte zeigen außergewöhnlich Eigenschaften in der Leitfähigkeit, mechanischen Robustheit oder ein ungewöhnliches halbleitendes Verhalten, so dass sie bereits bestehende konventionelle elektromechanische Systeme verbessern können, z.B. als sensitive Komponente in sensorischen Bauteilen zur Steigerung der Empfindlichkeit und Ansprechzeit, während sich Energieverbrauch und Gewicht reduzieren.

Unsere Forschung erstreckt sich über eine Vielzahl von Nanomaterialien: von einfachen metallischen Nanodrähten aus Kupfer, über Halbleiter wie Silizium, Siliziumkarbid und Zinkoxid, bis hin zu den sog. neuen Materialen wie Kohlenstoffnanoröhren. Unsere Forschungsarbeit  dabei sowohl die elektrische und mechanische Charakterisierung von Nanodrähten, als auch deren Anwendung in neuen prototypischen Bauteilen wie Sensoren und nano-elektro-mechanischen Systemen (NEMS).

Carbon nanotubes

Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNTs), haben sich zu einem der vielversprechendsten Materialien der Nanotechnologie entwickelt. Aufgrund ihrer herausragenden physikalischen Eigenschaften wurden CNTs bereits zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichsten Bereichen vorhergesagt. Mit Hilfe der aktuellen Herstellungsverfahren lassen sich jedoch die geometrischen und physikalischen Eigenschaften der CNTs nicht vollständig kontrollieren. Die auf einer Abscheidung aus der chemischen Gasphase beruhenden CVD-Verfahren (chemical vapour deposition, CVD) könnten in naher Zukunft mit herkömmlichen Herstellungsverfahren der Mikrosystemtechnik vereinbar sein, so dass eine direkte Herstellung von CNTs in zukünftigen Mikrosystemen möglich wäre. Bis dahin stellt jedoch gerade die Mikro-Nano-Integration von CNTs in bestehende Mikrosysteme eine der größten Herausforderungen dar. Um einerseits die Herstellungsverfahren weiter optimieren und andererseits den Aufbau erster CNT-basierter prototypischer Bauteile ermöglichen zu können, ist die Handhabung und Charakterisierung einzelner CNTs von zentraler Bedeutung. Wir erforschen deshalb neuartige, roboterbasierte Methoden für die Handhabung und Charakterisierung von einzelnen CNTs. Dazu wurde ein nanorobotisches System im Rasterelektronenmikroskop aufgebaut, mit dessen Hilfe neue direkte und zerstörungsfreie Verfahren zur elektrischen und mechanischen Charakterisierung von gewachsenen CNTs erforscht wurden. Außerdem wurden Strategien für die kontrollierte Mikrogreifer-basierte Handhabung von CNTs erforscht, die eine reproduzierbare Herstellung von prototypischen CNT-basierten Komponenten erlauben. Der Einsatz eines fokussierten Ionenstrahls kann zudem für eine Bearbeitung, wie z.B. das irreversible Verbiegen oder Kürzen von CNTs genutzt werden, um deren Geometrie an spezielle Anwendungen anzupassen.

Elektrothermisch aktuierte Mikrogreifer und Vierpunkt-Elektroden wurden dabei von unserem Projektpartner, der „Nanointegration group“ an der DTU Nanotech in Kopenhagen, Dänemark entwickelt und gefertigt. Im Rahmen des EU geförderten Forschungsprojekts NanoHand, wurde eine vollautomatisierte nanorobotische Assemblierung von CNT-basierten AFM-Meßspitzen durchgeführt.
 

AFM-basierte Nanomanipulation und 3D-nanometrology

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) gehört mittlerweile zur Ausstattung vieler Forschungsgruppen weltweit und wird neben den typischen topographischen Messaufgaben auch zur mechanischen Charakterisierung von Oberflächen mittels Kraft-Abstand-Kurven oder zur AFM-basierten Nanohandhabung eingesetzt. Diese Nanohandhabungen mit dem AFM werden aufgrund vielfältiger Probleme heutzutage fast ausschließlich manuell durchgeführt und sind daher sehr zeitaufwändig. Es besteht daher ein großes Forschungsinteresse, diese Nanohandhabungsprozesse automatisieren zu können. Aus diesem Grund entwickeln wir Techniken zur Driftkompensation, die eine vollständige Automatisierung von AFM-basierten Handhabungs- und Lithographieprozessen ermöglicht. Außerdem entwickeln wir im Rahmen des Europäischen Forschungsprojektes NanoBits (hier: Videos) sowohl austauschbare und anpassbare Messspitzen als auch neuartige Scanverfahren, die eine vollständige dreidimensionale Analyse von nanoskaligen Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen erlauben.

Projekte

Abgeschlossene Projekte

  • ScanPro2D - Scanning Probe Processing of 2D Materials
  • Nano-Q - Nanogranulare Sensoren für personenbezogenes Quecksilber-Monitoring
  • RACoNa - Reliable Assembling of Colloidal Nanoparticles in Two and Three Dimensions by Dual-AFM-based Handling inside a Scanning Electron Microscope
  • DriftAFM - Kompensation von thermalen Drifteffekten in der Rasterkraftmikroskopie
  • Powerbonds - Enhancement of Fiber and Bond Strength Properties for Creating Added Value in Paper Products
  • NADESTA - Development of a Nanohandling Desktop Station for Nanocharacterization of CNTs and biological cells by a piezoresistive AFM Probe
  • EfuSNa - Eigenschaften funktionaler Strukturen auf der Nanoskala, hergestellt durch elektronen-strahlgestützte Verfahren
  • NANOBITS - Exchangeable and Customizable Scanning Probe Tips
  • NANORAC – Nanorobotics for Assembly and Characterization
  • NANOHAND - Micro-Nano System for Automatic Handling of Nanoobjects
  • FIBLYS - Building an Analyzing Focused Ion Beam for Nanotechnology 
  • Gold-EBiD - Robotergestützte Herstellung und Charakterisierung von Goldschichten und Goldnanostrukturen aus neuartigen Designerprecursoren
  • ZuNaMi - Zukünftige Verfahren der Nano-/Mikroproduktion
  • NanoStore - Mikroroboterzelle zur automatisierten Handhabung und Montage von CNTs für die Integration von Mikro- und Nanoobjekten innerhalb eines Rasterelektronenmikroskop
  • ROBOSEM - Development of a Smart Nanorobot for Sensor-based Handling