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Nanotechnisch

Nanogeräte erfordern die Untersuchung im Nanobereich. Irma Kuljanishvili beschreibt die Forschung bei der Fabrikation von Halbleiterbauelementen

Kuljanishvili

Dr. Irma Kuljanishvili ist interessiert an der Integration von Nanowissenschaft und Technologie. In einem kürzlichen Telefoninterview hat Dr. Kuljanishvili ihre Forschungsinteressen, ihre Bedeutung und ihre mögliche Anwendung in eine Sprache übersetzt, die Wissenschaftler anderer Disziplinen als der Physik verstehen. Als angewandte Materialphysikerin interessiert sie sich für neue Wege, Materialien zu schaffen und zu modifizieren, die für technologische Innovation von Bedeutung sind. Insbesondere nutzt sie ihr Know-how in Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen, um ihre mögliche Einbindung in zukünftige Geräte mit breiter Anwendung zu untersuchen. Das schließt die Halbleiterherstellung, die Qualitätskontrolle sowie andere Sensor- und Testanwendungen ein. Dr. Kuljanishvili benutzt eine Vielzahl von Standard Rastertechniken in ihrem Labor. Sie geht jedoch auch an die Grenzen der Technologie und entwickelt selbst neue Rastersondentechniken. Diese Techniken zur Untersuchung von Nanogeräten werden zunächst in Forschungslabors wie dem von Dr. Kuljanishili entwickelt und dann später in der Produktion etabliert, wo sie in die Qualitätskontrolle von Nanogeräten integriert werden.

 

Können Sie Ihr Forschungsproblem beschreiben?

Unsere Gruppe spezialisiert sich auf Kohlenstoffnanostrukturen. Obwohl wir eine angewandte Physikgruppe sind, stellen wir auch unsere eigenen Materialien her. Die beiden wichtigsten Materialien sind Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen. Wir arbeiten auch mit verschiedenen Arten von Dünnschichtfilmen. Das ist jedoch nicht unser primäres Interesse. Wir synthetisieren unsere eigenen Materialien und haben eine spezielle Methode zur Deposition von Katalysatoren auf Substraten. Die meisten Techniken in unserem Labor basieren in der einen oder anderen Weise auf Rastersondenmikroskopie. Wenn wir z. B. Kohlenstoffnanoröhrchen erzeugen wollen, die katalytisch auf dem Substrat aus Silizium gezüchtet werden, kontrollieren wir die Verteilung der Katalysatorteilchen. Wir erhalten diese in Lösung. Wir stellen eine Lösung aus z.B. Eisen- oder Nickel-haltigen Salzen her. Wir lösen sie in Lösungsmittel und und verwenden eine Technik, die auf Rastersondenmikroskopie basiert und DPN (Dip-Pen-Nanolithografie) ähnelt, um die Verteilung des Katalysators zu kontrollieren. Wir tun dies mit einem RKM, aber wir haben auch ein selbst gebautes System, das auf Rastersondenmikroskopie basiert, um Cluster von Katalysator auf dem Substrat herzustellen.


Warum können Sie nicht herkömmliche Lithografie für die Verteilung des Katalysators verwenden?

Die Auflösung mit traditioneller, herkömmlicher Lithografie ist abhängig von der Art der verwendeten Lithografie. Photolithografie oder Heliumlithografie erfordern mehrstufige Prozesse, der eine tägliche Benutzung der Anlage erfordern. Auflösungsweise können Sie, mit Heliumlithografie Auflösung bis in den Nanometerbereich oder den Sub-Nanometerbereich erreichern. Doch Auflösung ist nicht alles. Es geht es darum, in einen Schritt, direkt mit RKM-Sonden zu arbeiten, ohne jede Art von Maske, ohne Zwischenprozesse. Sie deponieren Ihren Katalysator genau da, wo Sie es wollen, und produzieren die Materialien nur an dieser Stelle. Wir nennen das vordefiniert, bevorzugt an einer bestimmten Stelle gewachsen. Dies ist extrem wünschenswert bei Geräteanwendungen. So können Sie Arrays von Geräten produzieren. Sie wollen Ihre Kohlenstoffnanoröhre nur an bestimmten Stellen und keinen Katalysator, wo Sie ihn nicht brauchen. Darüber hinaus entfallen mehrstufige Prozesse bei der konventionellen Nanofabrikation. Wenn Sie wirklich isolierte Katalysatoren wollen, dann brauchen Sie einen Prozess der RKM-Sonden benutzt.


Welches Tropfenvolumen können Sie mithilfe der Rastersondentechnik auf dem Substrat deponieren?

Das ist in der Regel in Femtolitern (10-15 Liter). Alles ist Femto, Volumen sind in Femtolitern, Messungen sind in Femtofarad und die Ladung ist in Femtocoulombs.


Können Sie einzelne Katalysatormoleküle manipulieren?

Nein. Im Moment noch nicht. Wenn wir den Katalysator auftragen, ist er in Lösung. Der Tropfen enthält mehrere Moleküle, die nach dem Trocknen auf dem Substrat landen. Je kleiner das Cluster, desto weniger Partikel im Cluster. Wir versuchen, diese so einheitlich wie möglich zu gestalten. Zurzeit produzieren wir einzelne Kohlenstoffnanoröhrchen aus einem Cluster mit etwa zehn Molekülen des Katalysators. Danach benutzen wir zur Synthese der Kohlenstoffnanoröhrchen chemische Dampfabscheidung in einem Hochtemperaturofen. Wir haben mit vorgefertigten Geräten, wie zum Beispiel Transistoren, herumgespielt. Wir arbeiten mit Forschern am Argonne National Lab zusammen. Die versorgen uns mit Geräten. Wir platzieren dann den Katalysator an spezifische, vorgegebenen Stellen und synthetisieren die Nanoröhrchen. Der Nachteil hierbei ist, dass das Material und die Leitungen aus Metall sind und im Ofen bei 900 °C etwas leiden. Wir müssen da clever sein, entweder bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, sodass die Metallkomponenten nicht degenerieren, oder ein anderes Metall verwenden, das auch nach einem Hochtemperaturprozess noch intakt ist. Die meisten Geräte überleben die CVD-Bedingungen nicht. Das gibt es noch viel zu tun. Wir müssen vielleicht ein anderes Regime wählen oder andere Methoden mit deutlich niedrigeren Wachstumstemperaturen verwenden. Das könnte ideal sein.


Welche Art von Geräten möchten Sie mit Ihren Materialien bauen?

Wir sind an verschiedenen Gerätetypen interessiert. Grundsätzlich sind dies Feldeffekttransistoren. Wir möchten auch dreidimensionale Strukturen schaffen. Stellen Sie sich vor, wir bauen einen planaren Feldeffekttransistor aus einzelnen Kohlenstoffnanoröhrchen oder ein einzelnes Graphenstück. Später können wir je nach Baugröße mit Rastersonden-Lithografie oder Patterning DNA, Proteine oder andere Partikel aufbringen und so das Gerät modifizieren. Bei der Arbeit mit Graphen oder Kohlenstoffmaterialien ist es wichtig, die Struktur nicht durch kovalente Bindungen zu verändern. Wir würden gerne mittels Chemisorption oder Physisorption reversible Modifikationen durchführen oder andere Prozesse benutzen, welche die Kristallstruktur von Graphen nicht dauerhaft zerstören. Das ist, was wir auch mit der Oberfläche von Graphen tun. Wir haben magnetische Partikel direkt auf der Oberfläche von Graphen mit unserer RKM-Technik abgelegt.


Warum ist Ihre Forschung wichtig?

Wir sind Physiker. Wir wollen Materialien herstellen und modifizieren. Einige Materialien sind perfekt und können sofort für spezifische Anwendungen verwendet werden. Einige Materialien, wie Graphen, besitzen einzigartige Eigenschaften. Eine Eigenschaft, die Graphen nicht hat, ist eine vererbte Bandlücke in seiner elektronischen Struktur. Aber Sie können die Bandlücke öffnen, ohne die Struktur von Graphen wirklich zu zerstören, ohne Defekte zu erzeugen und diese als Sensor zu verwenden. Wir möchten mit der organisierten Anordnung von gemusterten Strukturen modifiziertes Graphen verwenden, egal ob kinetisch / magnetisch / 233 oder anders, um seine Integrität zu bewahren und als Halbleiter zu verwenden.


Welche Techniken verwenden Sie in Ihrer Forschung?

Wir verwenden Techniken, die sich auf Nanowissenschaften und Nanotechnologie beziehen. Wir beschäftigen uns mehr und mehr mit der Chemie und werden eine fachübergreifende Gruppe. Unser Ziel ist es weiterhin, an Geräten zu arbeiten, den Eigenschaften von modifizierten Geräten und ihrer Zuverlässigkeit. Ich denke, so können unsere Untersuchungen und Entdeckungen zu einer praktischen Anwendung führen. Wenn etwas nach vielen Behandlungszyklen immer noch zuverlässig funktioniert, egal ob es kühlt und die Leitfähigkeit oder andere Eigenschaften misst oder Spektroskopie am Gerät ist, wir möchten gerne wissen, wie gut das Gerät überlebt.


Wie wird RKM bei Ihrer Forschung eingesetzt?

Nun, wir brauchen Untersuchungen im Nanobereich, um Geräte von so kleinen Abmessungen studieren zu können. Wir verwenden RKM, und wenn das ohne Kontakt geht, dann ist das natürlich am Besten für die hergestellten Nanomaterialien. Berührungsfreie RKM erlaubt uns, die Materialien "zu sehen", ohne sie dabei zu stören. Letztendlich müssen wir die Eigenschaften unserer Geräte messen, ohne sie dabei zu zerstören. Deshalb brauchen wir Techniken, die nicht destruktiv sind. Bei so kleinen Materialdimensionen kann die Untersuchung die Geräteeigenschaften schnell beeinflussen. Deshalb müssen wir sehr vorsichtig sein. Außerdem wird bei solch kleinen Dimensionen das Quantenverhalten immer wichtiger. Aus diesem Grund benutzen wir auch andere Rastersondentechniken, um die physikalischen Eigenschaften unserer Materialien zu beschreiben. Beim Einsatz elektrostatischer Rasterkraftmikroskopie zur Messung der elektrischen Werte unserer Geräte können wir Kontakt nicht vermeiden. Ich habe Ihnen bereits unsere DPN-Technik beschrieben, die wir zur Strukturierung von Katalysatoren beim Aufbau von Kohlenstoffnanoröhren verwenden. Wir können lokalisierte Glüh- oder Wärmebehandlung auf der Nanoskala durchführen. Wir verwenden auch Magnetkraftmikroskopie zur Messung magnetischer Eigenschaften von Graphen- und Kohlenstoffnanoröhren, die nicht magnetisch sind, nach Graphenbehandlung in einem starken Magnetfeld.


Was können typische Verbraucher von Ihren Studien in nächster Zukunft erwarten?

Wir hoffen wirklich, etwas Interessantes zu entdecken. Wenn wir zum Beispiel einen zuverlässigen modifizierten Sensor oder Transistor aus Graphen herstellen können, bedeutet dies für einen Verbraucher schnellere Komponenten für elektronische Geräte und insgesamt verkleinerte Dimensionen. Test- und Sensoranwendungen können im Nanobereich durchgeführt werden. Vielleicht könnte es auch zu neuartigen diagnostischen Sonden im kleinen Maßstab führen. Stellen Sie sich vor, Sie müssen eine kleine Probe testen oder ein wertvolles Teil untersuchen, von dem Sie sehr wenig haben. Sie können es auf traditionelle Weise testen, benötigen aber eine relativ große Menge dafür. Mit RKM-Technologie können Sie winzige Mengen (in Femtolitern) davon auf einer Glasplatte zu Untersuchung platzieren. Ich denke vor allem an biologische Proben wie DNA oder Protein. Dies bedeutet, dass eine Reihe von Tests mit einem viel geringeren Probenvolumen durchgeführt werden können. Das könnte auch in anderen Bereichen wie zum Beispiel der Halbleitertechnik funktionieren. Aber Biologie ist das perfekte Anwendungsgebiet, einfach weil alles in Lösung durchgeführt werden kann. Einfach zu handhaben mit winzigem Volumen (Femtoliter).

Wir entwickeln mit einem Kollegen in der Abteilung für Biomedizintechnik ein gemeinsames Projekt für Studien von Kohlenstoffmaterialien und Zellen. Mit Hilfe von Rastersondentechniken werden wir nicht in der Lage sein, Mikroobjekte wie Zellen zu manipulieren, aber wir können versuchen, die Antwort einer Zelle, die an ein Nanogerät angeschlossen ist, zu erhalten. Wir können eine Zelle untersuchen, die auf einem Patch aus Graphen oder einer Kohlenstoffnanoröhre sitzt und ihre elektrische oder kapazitative Antwort aufzeichnet. Wir könnten in der Tat die Leitfähigkeit aufzeichnen, während wir gleichzeitig Moleküle aus den Kohlenstoffnanoröhrchen zur Stimulation der Zelle freisetzen. Meine Kollegin ist sehr gespannt über die Möglichkeit, die Reaktion einzelner Zellen zu untersuchen.

Biologie ist jedoch nicht das einzige Anwendungsgebiet für unsere Forschung. Die Halbleiterherstellung mit ihrem Bottom-up-Ansatz ist ein weiteres Gebiet und wir hoffen da, ähnliche Dinge im Nanobereich zu erreichen. Wir wollen Nanowissenschaften und Technologie integrieren. Wir entwickeln Fabrikationsmethoden im Nanobereich mit breiter Anwendung. Alles mit einem Sensor oder integrierten Schaltungen kann miniaturisiert werden. Das bedeutet weniger Material und möglicherweise geringere Herstellungskosten.