TU Graz-Forschende entwickeln neuen 3D-Druck zur direkten Fertigung von Nanostrukturen

Im Nanometerbereich sind komplexe, freistehende 3D-Architekturen durch die erforderliche Präzision sehr schwer herstellbar. Im Christian Doppler Labor für direkte Fabrikation von 3D-Nanosonden widmen sich Wissenschafter der TU Graz deshalb den Grundlagen des 3D-Nanoprintings und entwickeln die Technologie weiter.

Die Gruppe nutzt die fokussierte Elektronenstrahlabscheidung (Focused Electron Beam Induced Deposition – FEBID), die bereits bei der Fertigung komplexer, jedoch oftmals flacher Nanostrukturen erfolgreich eingesetzt wird.

Mehr Effizienz und mehr Möglichkeiten

Das Forschungsteam hat die Technologie im CD-Labor nun derart weiterentwickelt, dass selbst komplexe dreidimensionale Nanostrukturen kontrolliert und vor allem voraussagbar hergestellt werden können.

Neben dem Fertigen neuer Strukturen ermöglicht das Verfahren auch das Modifizieren von bereits fertigen Mikro- und Nanobauteilen. Die einzelnen Lagen, die mithilfe des FEBID-basierten 3D-Drucks aufgetragen werden, bleiben auf nahezu jedem Material und jeder Oberflächenbeschaffenheit haften.

Das spart zum einen Zeit, da die FEBID-Methode keine Vor- oder Nachbehandlung benötigt. Zum anderen ermöglicht es auch die Fabrikation auf unebenen bzw. rauen Oberflächen.

„Mit dieser Art des 3D-Nanoprintings eröffnen sich der Wissenschaft und der Industrie völlig neue Spielwiesen“, freut sich Harald Plank vom Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz und Leiter des CD-Labors. Mit der neuen Technologie können zukünftig Herausforderungen gemeistert werden, wie das mit alternativen Nanofabrikationsmethoden wie der Elektronenstrahl-Lithographie nicht möglich war. „Mit dieser Methode wäre es praktisch auch möglich, 3D-Nanostrukturen auf einer Bleistiftspitze herzustellen, was mit alternativen Technologien nur sehr schwer umsetzbar ist“, erklärt Plank.

So funktioniert die neue 3D-Nanoprinting Technologie

Eingesetzt wird das neue Verfahren in Kooperation mit den Industriepartnern GETec Microscopy (Wien) und der Anton Paar GmbH (Graz) im Bereich der Rasterkraftmikroskopie für die Fertigung von Messsonden, die Spitzenradien von unter zehn Nanometer aufweisen können.

„Der Druckvorgang geschieht in der Vakuumkammer von Elektronenmikroskopen. Die funktionellen Gase werden mit einer feinen Nadel in der Nähe der Probe eingebracht. Die gasförmigen Moleküle adsorbieren dann auf der Oberfläche und werden vom fokussierten Elektronenstrahl chemisch aufgespalten und immobilisiert – sie bleiben also durch die Interaktion mit dem Elektronenstrahl an Ort und Stelle haften“, erklärt Plank.

„Man kann sich das 3D-Nanoprinting wie einen Kugelschreiber vorstellen: Der Elektronenstrahl agiert wie die Mine des Kugelschreibers und das Gas ist die Tinte.“

Für das Drucken von geneigten Strukturen haben sich Plank und sein Team von Legobausteinen inspirieren lassen: „Um eine geneigte Architektur aus Lego zu bauen, muss die nächsthöhere Lage an Steinen immer leicht versetzt werden. Genau das haben wir auf das 3D-Nanoprinting übertragen: Vor dem Auftragen der nächsten Schicht verschieben wir den Elektronenstrahl und drucken so sprichwörtlich schräg in die Höhe.“

 
Erfolgreiche Umsetzung

Während der letzten 20 Monate konnte das CD-Labor bereits den ersten Proof-of-Principle abliefern. Hierfür wurde FEBID für die Herstellung von elektrisch leitfähigen Nanosonden verwendet, deren Leistungsfähigkeit deutlich höher ist als jene von alternativen, kommerziell erhältlichen Produkten. „Die Kleinserienproduktion wird in den kommenden Monaten in Wien ihren Betrieb aufnehmen und dem Industriepartner GETec Microscopy neue Möglichkeiten eröffnen“, sind Plank und sein Team zufrieden mit dem Ergebnis.

Internationale Kooperation

Damit das neue Verfahren keine Nischentechnologie bleibt, wollen die Forschenden im CD-Labor als nächsten Schritt eine neue Software für 3D-Nanoprinting entwickeln, mit der auch ohne breite Vorkenntnisse komplexe Nanostrukturen gedruckt werden können. Hierzu haben sich Plank und seine Arbeitsgruppe mit den Oak Ridge National Laboratories (USA) und dem Physikalischen Institut an der Goethe-Universität Frankfurt (GER) zusammengeschlossen, die gemeinsam mit der TU Graz zu den weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf diesem Gebiet zählen. Im Fokus dieses Vorhabens ist auch die Erweiterung des Verfahrens auf 3D-Flächen und Multi-Material-Strukturen, um die Funktionalität und damit auch die Relevanz dieser Technologie in Forschung und Entwicklung weiter zu steigern.

Das CD-Labor für direkte Fabrikation von 3D-Nanosonden ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.

Harald PLANK
Ass.Prof. Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn.
TU Graz | Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik
Tel.: +43 316 873 8821
harald.plank@felmi-zfe.at

https://www.tugraz.at/institutes/felmi/cd-laboratory/ (Website Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik)

https://www.youtube.com/watch?v=eUje93nrE4c&feature=youtu.be (Video zur Fertigung 3D-gedruckter Nano-Bauteile mittels FEBID-Methode)

https://www.tugraz.at/tu-graz/services/news-stories/medienservice/einzelansicht/… der TU Graz mit weiterem Bildmaterial)