24.07.2017

Schreiben mit dem Elektronenstrahl: Jetzt auch Nanostrukturen aus Silber

Die Rasterelektronenmikrographie zeigt eine 10 Mikrometer große flächige Abscheidung. Die Silberkristalle sind etwa 100 Nanometer groß. Bild: HZB/ACS Applied Materials &Interfaces (2017)

Die Silberkristalle leuchten intensiv unter Bestrahlung mit einem Laser. Eine Spektralanalyse (Raman-Spektroskopie) zeigt, dass jedes Nanokristall von einer Haut aus Kohlenstoff umgeben ist. Bild: HZB/ACS Applied Materials & Interfaces (2017)

Ein internationales Team hat erstmals Nanostrukturen aus Silber mit einem Elektronenstrahl auf ein Substrat „geschrieben“. Silbernanostrukturen zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sichtbares Licht auf der Nanoskala zu konzentrieren. Mögliche Anwendungen liegen in der Sensorik (Nachweis von Molekülen), aber auch in der Datenverarbeitung mit Licht.

Wenn man besonders feine, präzise Muster auf einer Oberfläche erzeugen will, ist ein Rasterelektronenmikroskop (REM) oft die Methode der Wahl: in einem einzigen Schritt lassen sich komplexe Strukturen direkt mit einem Elektronenstrahl auf einem Substrat abscheiden (Electron Beam Induced Deposition, EBID). Mit Gold, Platin, Kupfer und vielen anderen Metallen ist dies möglich, mit Silber bislang jedoch nicht, obwohl dieses Edelmetall besonders interessante Anwendungsmöglichkeiten verspricht.

Einem Team aus dem HZB und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA ist es nun erstmals gelungen, mit der EBID-Methode scharf abgegrenzte Felder aus winzigen Silber-Nanokristallen zu erzeugen. Sie beschreiben dies im Fachjournal der American Chemical Society ACS Applied Materials & Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.7b04353).

Aufwändige Suche nach geeigneter Silberverbindnung

Die Herausforderung lag darin, eine geeignete Silberverbindung zu finden und die Injektionseinheit für den Elektronenstrahl zu entwickeln. Dass dies im Falle von Silber besonders schwierig ist, liegt am chemischen Verhalten der typischen Silberverbindungen. Sie sind schwer zu verdampfen und sehr reaktiv. Schon beim Aufheizen in der Injektionseinheit reagieren sie mit den Reservoirwänden. Beim Weg vom Reservoir bis zur Nadelspitze frieren sie bei kleinsten Temperaturabfällen wieder fest und verstopfen die Kanüle.

„Es hat uns viel Zeit und Mühe gekostet, die Injektionseinheit neu zu gestalten und eine geeignete Silberverbindung zu finden“, sagt HZB-Physikerin Dr. Katja Höflich, die die Experimente im Rahmen eines Helmholtz-Postdoctoral Fellowship an der EMPA durchgeführt hat. „Aber schließlich haben wir es geschafft. Das von uns verwendete Silber-Dimethylbutyrat bleibt stabil und zersetzt sich nur im Fokus des Elektronenstrahls.“

Schreiben mit dem Elektronenstrahl

Das Prinzip beim Schreiben mit Elektronenstrahl funktioniert so: in die Vakuumkammer des REM werden mit einer Nadel geringe Mengen einer Vorläufersubstanz – meist eine metallorganische Verbindung - nah über der Probenoberfläche injiziert. Dort wo der Elektronenstrahl auf die Probenoberfläche trifft, zersetzen sich die Vorläufer-Moleküle und ihr nichtflüchtiger Rest setzt sich an dieser Stelle ab. Der Elektronenstrahl kann wie ein Stift über das Substrat wandern und die gewünschten Strukturen aufschreiben. Dies klappt bei vielen Vorläufersubstanzen sogar in drei Dimensionen.

Silber als Licht-Konzentrator

Die nun von Höflich und ihren Kollegen erzeugten Silbernanostrukturen besitzen besondere optische Eigenschaften: sichtbares Licht regt die freien Elektronen in den Silberstrukturen zu Schwingungen, sogenannten Plasmonen, an. Diese äußern sich durch intensives Leuchten. Aus der Farbe und Intensität des Leuchtens lassen sich Informationen über die Zusammensetzung der Oberflächen ablesen. Mit der sogenannten Raman-Spektroskopie lässt sich dieser Effekt nutzen, um den „Fingerabdruck“ bestimmter Moleküle nachzuweisen, die an den Silberflächen haften. Sogar einzelne Moleküle lassen sich auf diese Weise nachweisen. Als Sensoren zum Nachweis von Sprengstoffen oder anderen gefährlichen Verbindungen wären Nanostrukturen aus Silber daher gute Kandidaten.

Zukunftsvision: Bauelemente für das Rechnen mit Licht

Und auch Anwendungen in der Informationstechnologie sind denkbar: komplexere Silbernanostrukturen könnten die Basis für eine rein optische Datenverarbeitung bilden. Dafür muss es gelingen, das Verfahren zu verfeinern und auch mit Silber solche komplexen Strukturen einzuschreiben, wie es mit anderen Metallen bereits möglich ist.

Die Arbeit wurde in ACS Applied Materials & Interfaces (2017) publiziert:  "Direct Electron Beam Writing of Silver-Based Nanostructures". Katja Höflich, Jakub Jurczyk,Yucheng Zhang, Marcos V. Puydinger dos Santos,,Maximilian Götz, Carlos Guerra-Nuñez, James P. Best,Czeslaw Kapusta, and Ivo Utke.

DOI: 10.1021/acsami.7b04353

arö