Nano-Technik Rosen aus dem Nanogarten

Die hier finde ich besonders schön“, schwärmt Margit Zacharias und läßt etwas aufleuchten, das aussieht wie eine Rose. Bald wachsen auf ihr Geheiß weitere organisch-bizarre Formen, dann wieder geometrisch strenge Säulenreihen. Doch Margit Zacharias ist keine Gärtnerin oder Landschaftsarchitektin, auch keine Malerin, die etwa mit neuen Medien experimentiert. Sie ist Festkörperphysikerin am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle.

Auch wenn einige von Zacharias' Werken an lebende Mikroorganismen erinnern, sind sie doch durch und durch kristallin - und winzig klein: Manche sind nur wenige Nanometer zart. Ein Nanometer (das griechische Wort „nános“ bedeutet „Zwerg“) ist ein milliardstel Meter, also gerade mal so lang wie zehn hintereinander gelegte Wasserstoffatome. Zum Augenschmaus werden die Hallenser Nanorosen daher erst auf dem Bildschirm eines Computers, der die Meßdaten eines Elektronenmikroskops verarbeitet. Die Farben sind „Falschfarben“: Sie verdanken sich dem Geschmack der Wissenschaftlerin - denn in der Nanowelt, wo alles kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, gibt es keine echten Farben.

Erstaunliche Formen

Echt sind die Formen. Und die sind erstaunlich genug. Nanoröhren, Nanokugeln oder Nanosägen sind nahezu perfekt gewachsene, fast fehlerlose „Einkristalle“ aus Halbleitermaterialien. Diese Eigenschaft, gepaart mit einer ungeheuren Vielfalt möglicher Formen und Materialkombinationen, hat einen regelrechten Goldrausch ausgelöst. Weltweit stürzen sich immer mehr Forschergruppen auf das Gebiet der „Halbleiter-Nanodrähte“, wie es etwas verkürzend heißt.

Die kristalline Perfektion macht die neuen Nanomaterialien auch für mögliche künftige Anwendungen attraktiv. „Die Halbleiterindustrie stößt immer mehr an technische und physikalische Grenzen“, sagt Zacharias. Bis heute arbeitet die Industrie sehr erfolgreich mit „Top-Down-Verfahren“: „Von oben herab“, also vom Größeren zum Kleineren, erzeugt sie mit lithographischen Verfahren auf den silbrigen Waferscheiben die Strukturen der elektronischen Schaltungen. Doch es ist absehbar, daß diese Werkzeuge mit weiter fortschreitender Miniaturisierung zu grob werden. Das wird spätestens der Fall sein, wenn die Strukturen Feinheiten von wenigen Dutzend Nanometern erreichen sollen.

Eine Art „Nano-Lego“

Top-Down-Verfahren gehen - grob gesagt - wie ein Bildhauer vor, der seine Skulptur aus dem vollen Marmorblock herausschlägt. Nanomaterialien wie die Halbleiter-Nanodrähte könnten dagegen einen völlig neuen Zugang zur Miniaturisierung eröffnen: die Züchtung von Nanobauteilen, zu denen sich einzelne Atome oder Moleküle „von unten herauf“ zusammenbauen. Solche „Bottom-up-Verfahren“ würden den natürlichen Antrieb kondensierter Materie zur Selbstorganisation ausnutzen. Margit Zacharias träumt jedenfalls schon von „einer Art Nano-Lego“ der Zukunft, dessen winzige Bausteine höchst variabel kombinierbar sein werden.

Festkörperphysiker kennen vor allem eine Form der natürlichen Selbstorganisation: das Wachstum von Kristallen. Viele Atome und Moleküle haben die Tendenz, sich zu regelmäßigen räumlichen Kristallgittern zusammenzuschließen. So können sie gemeinsam ihre Energie minimieren, was die sparsame Natur gerne anstrebt. Sollen Nanodrähte sauber als ein einziger, nahezu perfekter Kristall wachsen, dann greifen die Physiker zum „Dampf-Flüssigkeits-Festkörper-Prozeß“. Hinter diesem Wortungetüm verbirgt sich ein trickreiches Verfahren, das verblüffende Resultate bringt.

Dünne Beschichtungen aus dem Ofen

Das Arbeitspferd hierfür ist der Quarzrohrofen, den Zacharias im Labor vorführt. Sanft glüht das transparente Quarzrohr, das links und rechts aus einer Metallbox herausragt. Der Ofen kann Temperaturen weit oberhalb von tausend Grad Celsius erreichen und präzise Temperaturprogramme durchführen. Im Quarzrohr verdampft dabei das pulverförmige Ausgangsmaterial. Der Dampf schlägt sich dann wie feuchter Atem auf einem kühleren Substrat nieder, zum Beispiel einer Waferscheibe. Auf diese Weise stellt auch die Industrie seit vielen Jahren routinemäßig sehr dünne Beschichtungen her.

Mit einem Trick verhindern die Nanoforscher nun jedoch, daß eine durchgängige Schicht entstehen kann (siehe Grafik). Dazu präparieren sie das Substrat so, daß es von winzigen Pillen eines metallischen Katalysators bedeckt ist, zum Beispiel Gold. Im heißen Ofen schmelzen die Goldkügelchen zu Tröpfchen, in die das Ausgangsmaterial aus dem Dampf eindringen kann. Die gelösten Atome finden in dem Goldtröpfchen endlich einen Startpunkt zum Auskristallisieren: Es ist die Kontaktfläche zwischen dem Tropfen und dem Substratuntergrund. Auf diesem Fundament wächst der werdende Einkristall nun wie ein Pilz. Den Metalltropfen hebt er dabei als Hut hoch, und unter diesem scheiden sich immer neue kristalline Stokkwerke ab. Drehen die Kristallzüchter nun noch am feinen chemischphysikalischen Räderwerk der Prozeßparameter, dann können sich auch direkt aus dem Dampf Atome oder Moleküle seitlich an die Nanodrähte anlagern. So entstehen Nanobänder, Nanosägen und noch bizarrere Gebilde.

Viele verschiedene Materialien

„Wenn wir über Nanodrähte oder Nanobänder sprechen, dann umfaßt das eine Menge verschiedener Materialien“, erklärt Zhong Lin Wang mit einem Enthusiasmus, den die Telefonverbindung über den Atlantik nicht dämpfen kann. Der chinesisch-amerikanische Physiker ist Direktor zweier Zentren für Nanowissenschaften am Georgia Institute of Technology in Atlanta und hat in der vergangenen Woche in Science die Synthese betörend schöner Nanospiralen veröffentlicht. Für Wang sind Nanodrähte aus Halbleitern wie Silizium oder dem in der Optoelektronik wichtigen Galliumnitrid interessanter als die vielbesungenen Kohlenstoffröhrchen: „Die Möglichkeiten, Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung und verschiedenste Strukturen zu erzeugen, sind viel reicher und vielfältiger.“ Zudem sind sie auch mit den etablierten Halbleitertechnologien besser kompatibel. Wang glaubt daher, daß sie sehr viel schneller zu breiten Anwendungen führen können als die Kohlenstoffröhrchen. Diese konnten die hochfliegenden Erwartungen aus den neunziger Jahren noch nicht erfüllen.

Derzeit allerdings ist auch die Synthese von Halbleiter-Nanodrähten noch reine Grundlagenforschung. Es darf gespielt werden, um Neues zu entdecken. In Wangs Labor gelingen dabei Kreationen wie Nanoringe, die auf dünnen Nanostäben sitzen. Elektrostatische Kräfte, die wir von knisternden Entladungen an Türklinken kennen, verbiegen die dünnen Halbleiterbänder aus Zinkoxyd, bis sie sich zu perfekten Ringen ohne Nahtstellen schließen. Fast vergißt man, daß die verbogenen Gebilde eigentlich spröde Einkristalle sind. Doch da sie so dünn sind, werden sie erstaunlich elastisch: Die Nanowelt hat eigene Gesetze.

Kristalliner Teppich

Die neuesten, hauchzarten Spiralen aus Wangs Labor bestehen allerdings nicht mehr aus einem durchgängigen Einkristall, sondern aus einem kristallinen Teppich, dessen Webrichtung sich in schmalen Streifen abwechselt. Dadurch entsteht ein Kräftespiel, das das Nanoband zu einer stabilen, federnden Spirale verdrillt.

Spielen macht zwar Spaß, ist aber nicht das Motiv von Nanowissenschaftlern wie Wang und Zacharias. Sie wollen systematisch lernen, bei welchen Bedingungen in ihren Öfen kontrolliert eine gewünschte Struktur entsteht. In den vergangenen zwei Jahren hat Wangs Gruppe zum Beispiel in fast zweihundert Experimenten durchexerziert, wie das bei dem Halbleiter Kadmiumselenid geht. Das Resultat ist eine „Roadmap“, eine Art komplexes Kochrezept der Prozeßparameter und ihrer Resultate. Damit könnte ein industrieller Anwender schon etwas anfangen.

Transistoren wie Bäume züchten

Margit Zacharias träumt davon, Nanotransistoren wie winzige Bäume zu züchten, bei denen jeder Ast aus einem anderen Halbleitermaterial besteht. Im Ansatz ist das ihren amerikanischen Kollegen schon gelungen. Wang möchte aus solchen Nanotransistoren eines Tages extrem empfindliche Sensoren machen, die einzelne Biomoleküle aufspüren können - zum Beispiel solche, die Krebszellen verraten.

Bis zur Verwirklichung dieser Visionen werden die Nanoforscher sicher noch viele Hindernisse überwinden müssen. „Das Anschließen der Nanoröhren an etwas Sinnvolles ist die Herausforderung, die nun auf uns zukommt“, sagt Andreas Greiner. Der Chemieprofessor aus Marburg koordiniert mit Zacharias das Schwerpunktprogramm „Nanodrähte und Nanoröhren“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft, das mit 3,4 Millionen Euro gefördert wird.

Zum derzeitigen Boom trägt auch bei, daß die Quarzrohröfen im Vergleich zu anderen Geräten sehr billig sind. „Unser Equipment hat etwa 20.000 Dollar gekostet und in fünf Jahren fast hundert Veröffentlichungen produziert“, freut sich Wang. Allerdings müsse man auch bedenken, daß Wangs Gruppe allein über fünf sehr teure Elektronenmikroskope verfüge, ohne die sie ihre Strukturen nicht untersuchen könnte, sagt Carsten Ronning. Der junge Physiker forschte als Wangs Gast in Atlanta und ist nun an der Universität Göttingen.

Gut ausgerüstete Labore können jedenfalls schnell in die Forschung an Halbleiter-Nanodrähten einsteigen. Das wird den Boom weiter tragen. Vielleicht werden die Gewächse aus dem Nanogarten eines Tages unsere Kultur so verändern wie einst die ersten Transistoren.