Nanotech trifft Biotech: Leuchtende Nanostrukturen für "Lab on Chip" Systeme

Was für die Mikroelektronik immer kleinere Strukturen und schnellere Datenübertragung ist, ist für Umwelt- und Biotechnologie der Wunsch nach schnellen und kostengünstigen Analysemöglichkeiten. So genannte Lab on Chip Systeme, Minilabore, mit denen sich kleinste Mengen Flüssigkeit beispielsweise auf Pestizidrückstände oder Umweltgifte hin analysieren lassen. – Der weltweit erste integrierte Optokoppler in Siliziumtechnologie macht beides möglich. Wolfgang Skorupa, Thoralf Gebel und Kollegen vom Forschungszentrum Rossendorf (FZR), Dresden, haben ihn entwickelt und stellen ihn auf der Hannover Messe 2002 vor (Halle 18, Stand M16, Forschungsland Sachsen).

Bei der Herstellung noch kleinerer Chips und leistungsfähigerer Rechner kann optische Datenübertragung weiterhelfen. Sie ist schneller und nicht so störanfällig wie die elektrische, ermöglicht daher deutlich kleinere Strukturen. Elektrische Anschlüsse wirken wie kleine Antennen, sie beeinflussen sich gegenseitig und dürfen nicht zu eng stehen – optisch sind hier keine Grenzen gesetzt. Doch was über weite Strecken mit Glasfaserkabeln schon lange realisiert ist, war für die Kommunikation innerhalb von Chips nicht möglich. Dass es auf kleinstem Raum bisher keine rentablen optischen Lösungen gab, lag an dem Material, aus dem die Mikroelektronik ist: Es muss Licht aussenden und empfangen können. Und bis vor wenigen Jahren galt es als undenkbar, Silizium, dem Chipmaterial, Licht zu entlocken.

Skorupa und seine Kollegen im FZR haben es geschafft: In Rossendorf leuchtet Silizium seit 1996 blau. Inzwischen haben sie ein Bauteil entwickelt, das sich besonders für „Lab on Chip“ Systeme für die Sensorik eignet. Der so genannte integrierte Optokoppler auf Siliziumbasis kann in den herkömmlichen Prozessschritten für die Chipherstellung aufgebaut und in einen Chip integrieren werden. Er besteht aus einem Lichtemitter und einem Empfänger. Versieht man nun den Bereich zwischen Emitter und Empfänger mit kleinen Hohlräumen, können dort die Flüssigkeiten hindurchströmen, die man analysieren möchte. „Die Anordnung ist einfach und handlich: Man kann das Labor mit in die Natur nehmen und muss die Proben nicht mehr ins Labor holen. Zudem ist es besonders kostengünstig, es eignet sich zum Einwegartikel,“ so Gebel. Natürlich umweltfreundlich, denn Silizium wird aus Sand hergestellt.

Lichtemission aus Silizium-Nanostrukturen eröffnet völlig neue Perspektiven für optische Chip-Kommunikation und Sensorik – weltweit forschen Wissenschaftler auf dem Gebiet. Die Rossendorfer Entwicklung ist ein wichtiger Schritt für solche Anwendungen.

Info: Das Forschungszentrum Rossendorf (FZR) ist Mitglied der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz e. V. (WGL). Der WGL gehören 79 außeruniversitäre Forschungseinrichtungen an, von denen neben dem FZR noch drei weitere in Dresden ansässig sind. Die Institute der Leibniz Gemeinschaft arbeiten nachfrageorientiert und interdisziplinär; sie sind von überregionaler Bedeutung, betreiben Vorhaben im gesamtstaatlichen Interesse und werden deshalb von Bund und Ländern gemeinsam gefördert.

Forschungszentrum Rossendorf
Dr. Silke Ottow
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