3D-Druck optisch aktiver Nanostrukturen an der TU Graz

Dem Team von Harald Plank, Verena Reisecker und David Kuhness, Forschende der TU Graz, ist es gelungen, 3D-Nanostrukturen in der notwendigen Form und Größe herzustellen, sodass die Strukturen die erhofften optischen Eigenschaften aufweisen. Die Voraussetzung hierfür war zunächst das Gelingen einer präzisen Simulation der Nanoarchitekturen, auf Basis dessen sie produziert werden konnten. Darüber hinaus konnten die Forscher einen weiteren Erfolg bei der Entfernung chemischer Unreinheiten verzeichnen. Diese entstehen oftmals im Rahmen des Herstellungsprozesses der Nanostrukturen. Die Entfernung der Verunreinigungen gelang dabei ohne die Strukturen negativ zu beeinflussen. Insbesondere finden die besagten optisch aktiven Nanostrukturen in Solarzellen sowie chemischen und biologischen Sensoren Anwendung.

Die Herstellung von Nanopartikeln dient dem Zweck, Oberflächen auf eine Weise mit diesen auszustatten, sodass sie Licht bündeln, manipulieren oder eine gewisse Reaktion zur Folge haben. Dieses Vorgehen wird bereits seit 20 Jahren praktiziert, jedoch ist das Ziel, die Anwendungsmöglichkeiten dieser Methode weiter auszubauen. Um die Erreichung der Vision bemühten sich die Forscher am Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz und am Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) bereits seit 10 Jahren. Sie forschten an der Entwicklung komplexer, freistehender 3D-Architekturen im Nanometerbereich, die sich von den bisherigen entwickelten flachen Strukturen unterscheiden. Zum heutigen Stand ist die von den Forschern angewendete Technologie die einzige auf der Welt, mit der sich die winzigen komplexen 3D-Strukturen auf den allermeisten Oberflächen kontrolliert produzieren lassen. Die Form-Elemente der 3D-Architekturen sind mit ihrer Größe von kleiner als zehn Nanometern sogar kleiner als die kleinsten existierenden Viren, welche 20 Nanometer groß sind. Die neueste Innovation der Wissenschaftler elminiere außerdem das bisher angewendete „Trial-and-Error-Verfahren“, welches viel Zeit gekostet hatte, um die optimalen optischen Eigenschaften der 3D-Strukturen zu erreichen. Harald Plank äußerte sich zu der Entwicklung mit den folgenden Worten:

Mit Hilfe der 3D-Nanodrucktechnik hergestellte Strukturen; Links: Miniaturschachturm, Rechts: Aus Nanodrähten bestehender Ball (Bild: CDL DEFINE/TU Graz)

Die Übereinstimmung unserer Simulationen mit den realen plasmonischen Resonanzen unterschiedlichster Nanoarchitekturen ist sehr hoch. Das bedeutet einen Riesenschritt nach vorn. Die harte Arbeit der letzten Jahre hat sich bezahlt gemacht. […] Die größte Herausforderung der letzten Jahre war die Überführung der 3D-Architekturen in hochreine Materialien, ohne die Morphologie zu zerstören“, beschreibt Harald Plank. „Dieser Entwicklungssprung ermöglicht durch den 3D-Aspekt neue optische Effekte und Anwendungskonzepte.“

Das Verfahren zur Herstellung der 3D-Nanostrukturen

Die Forschenden der TU Graz  verwenden für die Erstellung der 3D-Nanostrukturen das Verfahren der fokussierten Elektronenstrahlabscheidung, im Englischen „Focused Electron Beam Induced Deposition“ oder kurz „EBID“. Im Rahmen des EBID-Verfahrens wird die betreffende Oberfläche mit bestimmten Arten von Gasen belegt, dies geschicht unter einem Vakuum. Um Teile der Gasmoleküle in einen starren Zustand zu transformieren und sie an speziellen Positionen haften zu lassen, werden die Moleküle mit Hilfe eines Elektronenstrahls gespalten. Laut Harald Plank gelinge es den Forschern in einem einzigen Schritt, durch präzise Steuerung von Strahlverschiebung und Belichtungszeit, komplexe Nanostrukturen mit gitter- oder flächenartigen Strukturelementen herzustellen. Um letztendlich die gewünschten dreidimensionalen Nanostrukturen zu erhalten, werden die Nanovolumen schließlich noch übereinandergestapelt. Mit Hilfe der neuen Entwicklungen der Forscher der TU Graz könnten in Zukunft optische Pinzetten oder Sonden in nanometrischer Größenordnung hergestellt werden.

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*Titelbildnachweise: TU Graz