Materialforschung – Nanotechnologie

Materialien mit völlig neuen Eigenschaften – Quantenpunkte, Nanoröhren, Mikrochips die sich immer wieder neu verdrahten: Die Nanotechnologie gilt als die Innovationshoffnung des Jahrzehnts.

ist hart wie Glas und durchsichtig. "Aber es ist kein Glas", versichert Dr. Wolfgang von Gentzkow, Leiter des Fachzentrums Functional Polymers bei Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen. Was er in der Hand hält, ist eigentlich ein Kunststoff. Würde man mit dem Elektronenmikroskop hineinschauen, könnte man kleine Partikel erkennen, Silikatplättchen, die das Polymer besonders hart und hitzefest machen. Sie sind weniger als 100 nm groß – also deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts und deshalb unsichtbar. Mit seinem verstärkten, transparenten Kunststoff liegt von Gentzkow voll im Trend. Eine kleine Ursache, nämlich nanometerkleine Partikel, hat eine große Wirkung – das ist das Credo der Nanotechnologie, von der erwartet wird, dass sie sich als Schlüsseltechnologie etabliert. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters und etwa ein 50 000stel des Durchmessers eines Haars. "Die Nanotechnologie wird in den nächsten Jahren mehr bewegen als Biotechnologie und Internet im vergangenen Jahrzehnt zusammen", prophezeit Berndt Samsinger von Capital-Stage, einem Investmenthaus, das sich auf Nanotechnik spezialisiert hat.

Dabei sind von Gentzkows Partikel relativ simpel. Die blätterteigartigen Silikate, die unter anderem in Katzenstreu oder bei der Papierherstellung genutzt werden, können mit Natrium- oder Kalzium-Ionen aufgebrochen und durch Behandlung mit organischen Ionen so aufgeweitet werden, dass sie sich beim Einarbeiten in Kunststoffe voneinander lösen und in einzelne, winzige Silikatplättchen zerfallen. Werden sie mit einem Anteil bis 5 % dem Polymer zugegeben, erbt die Mischung die Eigenschaften beider Stoffe: Transparenz und Festigkeit, obendrein ist sie billig und in großen Mengen herstellbar. In etwa zwei Jahren soll das Wundermaterial in Serie gehen und als Kunststoffmantellinse für besonders helle und temperaturbeständige Leuchtdioden dienen.

Einen Nachteil hat der Erlanger Kunststoff: Er ist unspektakulär, ja sogar fast langweilig. Lieber denkt man beim Stichwort "Nano", was im griechischen "Zwerg" heißt, an Mini-U-Boote, die durch die Blutbahn streifen und Krebszellen vernichten, oder an Miniroboter aus einer Hand voll Atome, die kooperieren und sich selbst reproduzieren – wie sie z.B. Michael Crichtons neuer Roman "Prey" (Beute) beschreibt. "Das ist aber reine Science Fiction und es ist sehr ungewiss, ob es solche Anwendungen jemals geben wird", urteilt Rainer Nies, der bei Siemens CT in Erlangen die Studie "Impact of Materials" geschrieben hat (siehe Beitrag Werkstoffe nach Maß). Bahnbrechende Neuerungen? Diese dürften die absolute Ausnahme sein, sagt der Physiker, dafür werden aber viele kleine Innovationen schrittweise Einzug in ganz alltägliche Produkte halten – was in der Summe vielleicht ebenso revolutionär ist.

Chipstruktur am Limit. Geradezu überlebenswichtig ist die Nanotechnik für die Hersteller von Mikrochips. Das Moore'sche Gesetz, das die Verdopplung der Anzahl der Transistoren pro Fläche alle 18 Monate vorhersagt, gilt noch etwa bis zum Jahr 2010. Aber was geschieht, wenn die Chipstrukturen dann deutlich kleiner werden sollen als 100 nm? Mit dieser Frage beschäftigt sich Dr. Lothar Risch, der bei Infineon in München an Nano-Elektronik forscht. Seine Arbeiten reichen weit in die Zukunft: Bauelemente, die in seinem Labor heute schon als Einzelstücke hergestellt werden, wird man frühestens in zehn Jahren für marktfähige Produkte brauchen.

Risch baut Feldeffekttransistoren, die kleinsten Einheiten jedes Chips, mit einer Gate-Länge von zehn Nanometern. Das Gate wirkt wie ein Ventil, das den Strom in einem nur 2 nm dünnen Siliziumkanal steuert. Doch bei derart dünnen Schichten beginnen die Elektronen durchs Gate zu tunneln, als wäre es gar nicht da. Rischs Team hat deshalb den Prototyp eines um 90° gekippten Double-Gate-Transistors hergestellt, bei dem zwei Gate-Elektroden den Siliziumkanal in die Zange nehmen und daher den Strom viel besser steuern können.

Nächster Schritt ist ein Quantenpunkt-Speicher, bei dem ein Isolator mit 20 nm Kantenlänge zwischen Gate und Siliziumkanal sitzt. Man braucht weit weniger Strom zum Speichern und Löschen als heute – ein solcher Speicher ist so empfindlich, dass schon ein einziges zusätzliches Elektron im Quantenpunkt merklich die Kennlinie des Transistors verschiebt. Derartige Quantenpunkte haben es der Forschergemeinde angetan. Sie sollen etwa in Supercomputern oder in Lasern für ultraschnelle Glasfaserverbindungen zum Einsatz kommen.

Zwei Büros weiter sitzt Rischs härtester Konkurrent, Dr. Wolfgang Hönlein. Er beschäftigt sich mit Carbon Nanotubes, Röhrchen aus reinem Kohlenstoff mit Durchmessern zwischen 1 und 30 nm und bis 1 mm Länge. Ihnen werden wahre Wundereigenschaften nachgesagt: Sie sind je nach Struktur entweder halbleitend wie Silizium oder leiten den elektrischen Strom tausendmal besser als Kupfer. Wärme transportieren die Röhrchen doppelt so gut wie der beste Wärmeleiter Diamant. Obendrein haben sie die zwanzigfache Zugfestigkeit von Stahl und sind dennoch biegsam.

"Alles was mit Silizium geht, geht auch mit Nanotubes", verspricht Hönlein. Sein Team kann Büschel der Röhrchen gezielt auf Silizium hochwachsen lassen – interessant für die Verbindungen zwischen den Lagen eines Mikrochips. In Zukunft könnten auch die Leiterbahnen sowie Dioden und Transistoren aus Nanotubes bestehen. Damit nicht genug: Platziert man zwei Nanotubes dicht übereinander und legt ein elektrisches Feld an, verbiegen sie sich und kleben aneinander, bis ein Spannungsimpuls sie wieder trennt – ein winziger Schalter, der auch als Datenspeicher eingesetzt werden könnte. Einzelstücke existieren bereits in Forschungslabors in aller Welt, doch ein reproduzierbares Fertigungsverfahren liegt in weiter Ferne.

Nanofeuer im Display. Immerhin dürfte der Preis für Nanoröhren von heute bis zu 500 € pro Gramm auf wenige Euro fallen, wenn – wie angekündigt – japanische Unternehmen noch im Jahr 2003 in die Massenproduktion einsteigen. Ebenfalls für 2003 hat die koreanische Firma Samsung erste Bildschirme aus Nanotubes angekündigt. Aus den Spitzen der Röhrchen lassen sich mit einem elektrischen Feld Elektronen auf eine Leuchtschicht feuern – wie bei der guten alten Bildröhre, nur ganz flach und nahezu verschleißfrei. Ein Prototyp hat eine Diagonale von 23 cm (9 ") und zeigt Bilder in voller Farbenpracht.

"Wenn Transistoren aus Nanotubes einmal genauso gut sein sollten wie die aus Silizium, wäre meine Arbeit überflüssig", gibt Risch zu. Doch weil niemand sicher sagen könne, ob sich mit Nanotubes 100 Millionen Transistoren auf einen Chip pressen lassen, habe er die nächsten zehn Jahre noch genug Arbeit. Das gilt auch für andere Forschungsgebiete: Nanotubes sind als Beimischung für besonders harte Materialien im Gespräch oder als Wasserstoffspeicher für Brennstoffzellen. Doch überall existieren etablierte Technologien, die es zu überflügeln gilt und die sich ebenfalls weiterentwickeln.

Die ehemalige Siemens-Tochter Infineon geht eigene Wege, aber es gibt weiter gemeinsame Projekte, etwa bei der Entwicklung von Magnetspeichern. Dr. Joachim Wecker und sein Projektteam untersuchen bei Siemens CT in Erlangen wenige Atomlagen dünne magnetische Mehrfachschichten für künftige Speicherchips. Solche Bauelemente sollen voraussichtlich 2004 auf den Markt kommen. In diesen so genannten MRAM werden Datenbits nicht mehr in kleinen Kondensatoren gespeichert, sondern in Mini-Magneten, die durch einen schwachen Stromimpuls umgepolt werden und deren Speicherinhalt elektrisch ausgelesen wird. MRAM haben einen großen Vorteil: Einmal gespeichert, bleibt das Informationsbit beliebig lange erhalten. Heutige PC-Speicher müssen dagegen viele Male pro Sekunde aufgefrischt werden und brauchen daher mehr Strom. Ein Speicher, der sein Gedächtnis behält, würde auch das Hochfahren beim Einschalten von Computern drastisch verkürzen.

Einige Fragen sind noch offen. So will Weckers Team herausfinden, wie klein die magnetischen Strukturen sein können. Rein rechnerisch ist bei 25 nm Schluss, weil dann bereits die Umgebungswärme die Magnetisierung der Mini-Magnete aufheben und die gespeicherten Daten unlesbar machen kann. Doch Wecker denkt, diesen Wert noch um einige Nanometer drücken zu können.

Sein Ziel sind Bauteile, die sich in Siemens-Produkten einsetzen lassen. Ganz oben auf der Wunschliste stehen deshalb winzige Magnetfeldsensoren für bildgebende Verfahren in der Medizin oder Sensoren fürs Auto. Ein anderes Projekt beschäftigt sich mit rekonfigurierbaren Logikbausteinen, in denen sich die winzigen Sandwichmagnete durch Ändern der Magnetisierungsrichtung zu logischen Gattern verknüpfen lassen. In heutigen Mikroprozessoren sind Millionen Transistoren fest verdrahtet, Änderungen in der Schaltung für neue Aufgaben sind nicht möglich. "Viele Produkte würden profitieren, wenn man die Hardware nachträglich verändern könnte", sagt Wecker. Aus einem Audioprozessor würde etwa ein Videoprozessor; Prozessor und Speicher könnten auf einem Chip vereint werden, dessen Ressourcen sich den jeweiligen Aufgaben anpassen würden.

Die Stromversorgung der genügsamen Chips könnten dann neuartige organische Solarzellen übernehmen, die Dr. Jens Hauch ebenfalls bei Siemens CT in Erlangen entwickelt. Darin wird das Licht von einem Polymerhalbleiter in Strom verwandelt. Dieser Kunststoff ist mit Buckyballs gespickt – nanoskaligen Fußbällen aus 60 oder 70 Kohlenstoffatomen. Noch liegt die Energieausbeute bei mageren 3,5 %. 10 % müssten aber drin sein, hofft Hauch. Diese Nanokraftwerke wären dann nicht nur biegsam, sie wären auch viel billiger als heutige Silizium-Solarzellen, die zwischen 5 und 10 € pro Watt kosten. Hauch: "Wir rechnen mit weniger als 1 €/W."

Bernd Müller

Schwarzes Pulver, das die Welt verändert

Nano oder nicht Nano? 5 bis 10 Atome aneinandergereiht ergeben etwa einen Nanometer, einen Millionstel Millimeter. Für die Nanotechnologie gibt es keine einheitliche Definition. Wichtigstes Kriterium ist die Größe: Nanostrukturen sind kleiner als 100 nm. Dünne Schichten zählen dazu, wenn sie nur wenige Nanometer dick sind und dadurch neue Materialfunktionen ermöglichen. Ein weiterer Aspekt: Viele Eigenschaften von Mikrosystemen oder Mikrochips entstehen durch Ätzen aus einem Siliziumklotz (Top-down-Ansatz). Bei der Nanotechnologie kommt der Bottom-up-Ansatz hinzu: Aus kleinen Bausteinen (Atome, Moleküle, Pulver) werden größere Systeme hergestellt, wenn möglich durch Selbstorganisation. Viele Eigenschaften von Nanobausteinen basieren auf physikalischen Quanteneffekten, die erst bei diesen winzigen Abmessungen auftreten. Dabei verschwimmen die Grenzen zwischen Physik, Chemie und Biologie. Außerdem sind Nanopartikel wegen ihrer großen Oberfläche bezogen auf die Masse besonders reaktiv: In einem Würfel mit einer Kantenlänge von zehn Atomen hat fast die Hälfte der Atome Außenkontakt. Bei 1000 Atomen Kantenlänge sind es dagegen nur 0,6 %.

Technik - Nanopulver

Einsatzmöglichkeiten. Pigmente für Lacke, Kosmetika, Medikamente – Transparente Keramiken mit niedrigen Sintertemperaturen – Kratzfeste Oberflächen – Gefüllte Nanokapseln für selbstheilende Materialien

Technik - Nanoskalige Oberflächen

Einsatzmöglichkeiten. Selbstreinigende Oberflächen (Lotus-Effekt) – Antireflexbeschichtungen – Langlebige Implantate – Kratzfeste Oberflächen – Membranen – Katalysatoren

Technik - Nanotubes / Nanoröhren

Einsatzmöglichkeiten. Leiterbahnen – Transistoren und Dioden für Speicher (NRAM) – Elektronenkanone für Flachbildschirme – Verstärkung von Keramiken, Metallen, Kunststoffen – Wasserstoffspeicher – Nanopinzetten, Nanoaktoren

Technik - Nanostrukturierte Chips

Einsatzmöglichkeiten. Kleinere Speicher und Prozessoren – Magnetische Datenspeicher (MRAM) – Quantenpunkte für Dioden, Laser, Optoelektronik und Leuchtdisplays

Technik - Nanoanalytik

Einsatzmöglichkeiten. Rastersondentechnologie (legte vor 20 Jahren die Basis für die Nanotechnologie) – Mechanische Datenspeicher (Nanoplattenspieler)