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Kristalle im Nanofokus

30.08.2004


Funktionsweise eines Streulicht-Nahfeldmikroskops: Eine metallische Antenne (hier die Abtastspitze eines Kraftmikroskops) bündelt eingestrahltes Infrarotlicht eines CO2-Lasers auf einen Fleck von nur wenigen 10 Nanometern Durchmesser. Mit diesem Infrarolicht wird ein Siliziumkarbid-Kristall, dessen Kristallgitter an der Oberfläche durch einen Gallium-Ionen-Strahl lokal gestört wurde (Schachbrettmuster), abgerastert. Die ungestörten Kristallflächen erscheinen hell und die gestörten Bereiche dunkel. Die Größe der Schachbrettfelder variiert von 200 Nanometer bis 1.6 Mikrometer und ist damit deutlich kleiner als die Wellenlänge (ca. 10 Mikrometer) des Infrarotlichts. Bild: MPI für Biochemie/ Nenad Ocelic


Max-Planck-Wissenschaftler gehen mit Infrarot-Licht völlig neue Wege in der Nanoanalytik und Speichertechnik


Eine neuartige infrarot-optische Nanotechnologie, die auf Kristallgitter-Schwingungen (Phononen) beruht, entwickeln Forscher der Nano-Photonics Gruppe am Max-Planck-Institut für Biochemie. Mit Hilfe der “Phonon-Photonik“ sind bisher undenkbare Anwendungen von Infrarotlicht möglich. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Materials“ zeigen die Forscher, dass sie erstmals mit Hilfe von Infrarotlicht die Qualität von Kristallen mit nanoskopischer Auflösung analysieren können. Gleichzeitig demonstrieren die Wissenschaftler mit ihren Ergebnissen den ersten Infrarot-Datenspeicher mit Speicherdichten jenseits der von DVDs. Das Potential der Phonon-Photonik ist aber noch weit größer: Nanostrukturierte Kristalle könnten als winzig kleine Infrarot-Sensoren benutzt werden oder als Wellenleiter und Schaltelemente in zukünftigen infrarot-optischen Supercomputern. (Nature Materials, 1. September 2004, Online-Vorveröffentlichung 1. August 2004).

Die Wellennatur des Lichts begrenzt die Auflösung in der Mikroskopie und Lithographie, aber auch die Speicherdichte in der optischen Datenspeicherung auf die Wellenlänge des Lichts, d. h. auf einige hundert Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Neuere Entwicklungen gehen deshalb zu immer kürzeren Wellenlängen (ultraviolettes Licht) über. Hingegen gehen die Forscher um Rainer Hillenbrand am Max-Planck-Institut für Biochemie den entgegengesetzten Weg: Sie entwickeln eine optische Nanotechnologie mit besonders langwelligem Licht, nämlich Infrarot- bzw. Wärmestrahlung.


Infrarotlicht hat die Besonderheit, dass sich damit die chemische Zusammensetzung und die Kristallstruktur von Stoffen analysieren lassen. Die so genannte Infrarotspektroskopie ist daher eine weit verbreitete Methode in der Materialforschung, der (bio-)chemischen Analytik oder auch in der Biomedizin. Die langen Wellenlängen von Infrarotlicht begrenzen aber leider das räumliche Auflösungsvermögen von Infrarot-Spektrometern oder Mikroskopen auf einige Mikrometer. Dadurch ist es unmöglich, die Zusammensetzung von Materialien auf der nanoskopischen Skala zu untersuchen. Gerade diese Längenskala ist aber von entscheidender Bedeutung für die Analyse neuartiger Nanokomposit-Materialien oder biologischer Strukturen wie Zellmembranen.

Seit einigen Jahren arbeiten die Martinsrieder Wissenschaftler deshalb an der Entwicklung einer neuartigen Mikroskopie-Technik, die mit einer optischen Antenne Auflösungen unabhängig von der Wellenlänge des eingesetzten Lichts ermöglicht und die Vorteile der Infrarotspektroskopie auch für die Nanoanalytik nutzbar macht. Bei ihrem so genannten Nahfeldmikroskop rastert eine extrem feine Abtastnadel eine Oberfläche ab. Gleichzeitig bündelt die Nadel das dabei eingestrahlte Licht - ähnlich wie eine Antenne - zu einem winzigen Leuchtfleck, bis zu 300-mal stärker als die beste Fokussierlinse. Vor zwei Jahren hatten die Wissenschaftler nachgewiesen, dass sie mit dem gebündeltem Infrarotlicht Gitterschwingungen in polaren Kristallen anregen können, und zwar in einem Bereich von nur wenigen Nanometern (vgl. MPG-Pressemitteilung "Infrarotantenne als ‚Nano-Lupe’ " vom 10. Juli 2002 [1]). Je nach Kristallzusammensetzung benötigt man dafür ganz spezielle Wellenlängen, die eine Art Infrarot-Fingerabdruck des Kristalls darstellen. Schon damals hatten die Forscher auf die faszinierenden Einsatzmöglichkeiten dieses Nanoskopie-Verfahrens für die zerstörungsfreie Qualitätsprüfung von Kristalloberflächen oder die optische Datenspeicherung hingewiesen.

Jetzt ist Nenad Ocelic und Rainer Hillenbrand der experimentelle Nachweis gelungen, dass man durch Anregung von Gitterschwingungen mit einem Nahfeldmikroskop tatsächlich die Qualität von Kristallen abbilden kann. Die Auflösung ist dabei 100-mal besser als die von konventionellen Infrarot-Mikroskopen. Die Forscher ließen dazu die Oberfläche von Siliziumkarbid-Kristallen (SiC) lokal mit Ionen bestrahlen. Die Ionen hinterlassen beim Eindringen in den Kristall eine Schädigung, die man anhand des Infrarotbilds nachweisen kann. Die Kristallschädigung schränkt die Infrarot-Anregung von Gitterschwingungen stark ein, was sich im Infrarotbild an einer stark reduzierten Bildhelligkeit erkennen lässt. Da die Nahfeldmikroskopie nicht nur eine Auflösung im Nanometerbereich ermöglicht, sondern auch noch zerstörungsfrei ist, eignet sie sich neben Anwendungen in der Materialforschung auch für die Qualitätskontrolle in der Kristallzucht oder der Waferproduktion in der Halbleitertechnologie.

Mit diesen Erkenntnissen öffnen sich auch neue und überraschende Perspektiven für die optische Datenspeicherung. Die kleinsten Strukturen (Bits), die die Forscher herstellen und nachweisen konnten, sind jetzt schon 100-mal kleiner als die Wellenlänge des Infrarotlichts. Trotzdem kann das Nahfeldmikroskop sie mit enormer Schärfe abbilden. Obwohl die benutzte Wellenlänge etwa 20 mal länger ist als die von sichtbarem Licht, das zum Lesen von optischen Datenspeichen eingesetzt wird, konnten die Forscher mit ihrem Bit-Muster bereits eine Speicherdichte jenseits der von DVDs erreichen. Da Siliziumcarbid-Kristalle, die beispielsweise als hartes Granulat auf Schleifpapier genutzt werden, und die Datencodierung durch lokale Kristallschädigung physikalisch, chemisch und thermisch sehr stabil ist, könnte sich die Methode besonders gut für die Langzeitdatenspeicherung etwa zu Archivierungszwecken eignen. "Durch weitere Optimierung unserer Technik sollten Speicherdichten von bis zu 1 Terabit pro Quadratzentimeter möglich sein", so Rainer Hillenbrand, Leiter der selbstständigen Nachwuchsgruppe.

Potentielle Anwendungen der Kopplung von Lichtwellen (Photonen) und Gitterschwingungen (Phononen) in polaren Kristallen reichen noch viel weiter. Mit Hilfe von Nanokristallen oder nanostrukturierten Kristalloberflächen kann Infrarotlicht auf der Nanometerskala fokussiert, manipuliert oder detektiert werden. Anwendungen der Phonon-Photonik, wie die Physiker ihre Technologie nennen, sehen sie unter anderem in winzigen Infrarot-Sensoren, mit denen geringste Mengen chemischer oder biologischer Substanzen auf ihre Zusammensetzung hin untersucht werden könnten, was bis hin zu hochempfindlichen medizinischen Diagnostikverfahren führen könnte. Neben Anwendungen für die Analytik sind durch die Kopplung der Lichtwellen an nanostrukturierte Kristalle auch Wellenleiter für Infrarot- bzw. Terahertz-Wellen denkbar. Damit könnten extrem kleine Schaltkreise zur infrarot-optischen Informationsverarbeitung realisiert werden (infrarot-optischer Computer).

Hillenbrand wurde mit seiner Idee "Phonon-Photonik" Preisträger des "Nachwuchswettbewerbs Nanotechnologie", der 2002 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgeschrieben war. Mit dem Preisgeld fördert das BMBF Hillenbrands selbstständige Nachwuchsgruppe am Max-Planck-Institut für Biochemie, die innerhalb eines 5-jährigen Projekts innovative Anwendungen der neuen Technologie im Bereich der optischen Nanoanalytik und Datenverarbeitung/-speicherung ausloten soll (Förderkennzeichen 03N8705).

Das Projekt wurde unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Max-Planck-Gesellschaft.

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Update
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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