Nano-Optik: Die Kraft der Zerstörung

Zerstörerische Handlungen gehören normalerweise nicht zur Aufgabe von Forschern. An der Princeton University zeigte sich nun aber, dass sich genau damit interessante Nanostrukturen erstellen lassen: In dem man ein bestehendes Material zerbricht und unter Druck auseinander zieht. Die Methode funktioniert mit einem dünnen, spröden Polymer-Film, der zwischen zwei Silizium-Wafern gesteckt wird. Die Wafer werden dann auseinander gezogen, um optische Gitter im Nanoformat zu erzeugen – periodisch angeordnete Linien, die das Licht bei optischen Anwendungen verändert zurückwerfen. "Das ist eine sehr kostengünstige Methode, um sehr kleine Raster zu erzeugen", meint Stephen Chou, Professor für Elektrotechnik in Princeton.

Solche Beugungsgitter arbeiten wie Prismen und können das Licht in unterschiedliche Wellenlängen zerlegen – etwa das eines Lasers. Sie werden in Biosensoren eingesetzt, um Krankheitserreger, Proteine oder Glucose in Proben zu ermitteln – dabei messen sie das Licht, dass die Moleküle absorbieren. Gratings werden außerdem in der optischen Kommunikation verwendet und dienen zur Datenspeicherung auf optischen Medien wie CDs und DVDs. Sind diese Muster erst einmal im Nanobereich möglich, ließen sich Datenträger mit mehr Kapazität, schnellere Kommunikationsgeräte und genauere Sensoren herstellen.

Chou glaubt, dass die neue Technik auch die Kosten für LC-Displays reduzieren könnte, weil sich dort die aktuell verwendete Polymer-Polarisationsschichten durch Nano-Gratings ersetzen ließen.

Bestehende Methoden zu ihrer Erstellung versagen bei Abständen von weniger als einem Mikrometer oder sind komplex und teuer. Forscher suchen deshalb dauernd nach neuen Porzessen, solche kleinen Strukturen möglichst einfach herzustellen, meint Karl Berggren, Professor für Elektrotechnik am MIT. Die neue Polymer-Zerlegungsmethode aus Princeton sei daher eine "sehr elegante Entdeckung, die in der Forschung sicher schnell verwendet" werde.

Chou und seine Kollegen platzierten dazu eine 30 bis 500 Nanometer dünne Polymerschicht aus Polystyrol zwischen zwei Silizium-Wafern und erhitzten und pressten dieses "Sandwich" anschließend zusammen. Dann wurde eine Rasierklinge an einer Seite eingeführt, um die beiden Wafer wieder auseinander zu reißen. Dies spaltete den Polymer-Film und hinterließ eine Schicht auf jedem der beiden Wafer. Beide Oberflächen besaßen gleichförmige Kämme, die zwei Gratings erzeugten.

Der Abstand zwischen Kamm und Grating ist immer gleich und entspricht vier Mal der Dicke des Ausgangs-Polymerfilms. So ergaben sich Abstände zwischen 120 Nanometer und 200 Mikrometer. Auch mit anderen brüchigen Polymeren wurden ähnliche Ergebnisse erzielt.

Das Ergebnis ist überraschend, weil ein sprödes Material normalerweise keine regelmäßigen Muster bildet, wenn es aufgebrochen wird. In der Materialwissenschaft spreche man von einem "gewaltsamen und nicht linearen Prozess", erläutert John Rogers, Professor für Materialwissenschaften an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Mit der Princeton-Methode sei es nun möglich, hieraus plötzlich eine verlässliche Technik zur Herstellung von Nanomustern zu machen: "Das ist schon eine sehr reizvolle Arbeit."

Laut MIT-Mann Berggren könnte die neue Methode sehr schnell wichtige Auswirkungen auf die Forschung haben. Um praktisch in der Produktion nutzbar zu sein, muss sie allerdings noch kontrollierbarer und verlässlicher ablaufen.

Chou zufolge erzeugt der Ansatz jedes Mal qualitativ hochwertige Gratings. Voraussetzung sei, dass das Polymer eng an den zwei Wafern anliegt. Aktuell arbeitet sein Team an einer genaueren und besser reproduzierbaren Methode, um die Wafer nach dem Pressen zu trennen. Eine Klinge soll nicht mehr zum Einsatz kommen.

Später sollen dann die Grating-Bereiche vergrößert werden. Aktuell lassen sich nämlich nur rund zwei Quadratzentimeter beschreiben. Zum Einsatz in Handy-LCDs wäre dies zwar nutzbar, für größere Bildschirme aber wohl kaum. (bsc)