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Rubrik: Science Life
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Publiziert: 29.03.2006 06:00

Sensoren basierend auf Kohlenstoff-Nanoröhren
Feinfühlig

Nanoröhren aus Kohlenstoff sind Makromoleküle aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen und werden seit mehr als 10 Jahren weltweit wegen ihrer hervorragenden elektronischen und mechanischen Eigenschaften intensiv untersucht. ETH-Forscher haben nun solche Nanoröhren in ein Mikrosystem integriert und so einen Drucksensor entwickelt, der die elektromechanischen Eigenschaften in einwandigen Kohlenstoffröhren ausnützt. Der Demonstrator verspricht eine bisher nicht erreichte Sensor-Miniaturisierung bei gleicher oder sogar höherer Sensitivität im Vergleich zu herkömmlichen Drucksensoren.

Christoph Meier

Die Forschung in der Nanomechanik und -elektronik ist hochaktuell, was sich an der wachsenden Anzahl Forschergruppen in diesen Gebieten zeigt. Die Entwicklung ultraschneller und hochsensitiver Bauelemente mit sehr geringem Energiebedarf ist das Ziel. Der Übergang vom Mikro- in den Nanobereich lässt die Systeme nicht nur kleiner werden, sondern verspricht auch die Erschliessung neuer Anwendungsgebiete, beispielsweise im Bereich der Lebenswissenschaften. Doch so überzeugend die Szenarien sind, der Übergang ist alles andere als trivial. Insbesondere die Herstellung von Sensorsystemen im Nanobereich steht noch am Anfang.

Die ETH-Doktoranden Christoph Stampfer, Thomas Helbling und Alain Jungen an der Professur für Mikro- und Nanosysteme von Christofer Hierold leisten darum Pionierarbeit (1). Sie erforschen die Bedingungen, unter denen Kohlenstoff-Nanoröhren mit ihren speziellen Eigenschaften hergestellt und in Bauelemente oder Systeme integriert werden können. Zusammen mit weiteren Forscherkollegen aus der Schweiz, Deutschland und den USA haben sie nun einen Demonstrator für einen Drucksensor entwickelt. Die Herstellung und die Tests zum neuen Sensor beschrieben die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift „Nano Letters“ (2).

Aufrollrichtung bestimmt Eigenschaft

Der an der ETH entwickelte Sensor besteht aus einer ultradünnen Membran aus Aluminiumoxid, auf der die Nanoröhren aus Kohlenstoff verankert sind. Diese Kohlenstoff-Nanoröhren sind die eigentlichen Sensorelemente. Sie sind Makromoleküle und bestehen aus Kohlenstoffatomen. Man kann sich eine Nanoröhre wie eine zu einem Zylinder aufgerollte und nahtlos verschweisste Graphitschicht vorstellen. Die Zylinderwände bestehen aus den für Graphit typischen Sechsecken. Je nach räumlicher Aufrollrichtung der Graphitschicht entstehen Nanoröhren verschiedener Strukturen. Die elektrischen Transporteigenschaften und insbesondere die elektromechanischen Eigenschaften hängen nun sehr stark von dieser Aufrollrichtung und vom Durchmesser der Nanoröhren ab. Sie können sich sowohl metallisch als auch halbleitend verhalten.

Die Röhren haben typischerweise einen Durchmesser von wenigen Nanometern und ein Länge von einigen Mikrometern bis zu 100 Mikrometern. Die Herstellung der Nanoröhren erfolgt entweder bei sehr hohen Temperaturen (etwa 3000C) in einem Kohlenstoff-Plasma, das beispielsweise in einem Lichtbogen zwischen zwei Graphit-Elektroden erzeugt wird, oder sie werden bei weniger hohen Temperaturen (etwa 900C) in der Gegenwart geeigneter Katalysatoren aus der Gasphase abgeschieden.

Doch wie werden diese aufwändig produzierten Nanoröhren in einem Sensor verwendet? „Wenn eine Druckdifferenz die Sensormembran auslenkt, wird sie gleichzeitig gedehnt. Wir gehen davon aus, dass diese Membran-Dehnung direkt auf die Kohlenstoffnanoröhre übertragen wird. Durch die sehr hohe Änderung des elektrischen Widerstands der Nanoröhre bei Dehnung kann diese nun durch eine elektrische Messung ausgewertet und bestimmt werden.“, erklären Christoph Stampfer und Thomas Helbling die Funktionsweise ihres Sensors.

Schichten und ätzen

Für die Herstellung des Demonstrators kombinierten die Forscher herkömmliche Materialien und Prozesse aus der Mikrosystemtechnik mit neuen Verfahren, die für die Integration von Nanotechnologien entwickelt wurden. Als Substratmaterial dient eine 300 Mikrometer dicke Siliziumscheibe. Aluminiumoxid, das als Material für die Membran des Drucksensors verwendet wird, wird danach mit einem Verfahren auf die Siliziumbasis aufgetragen, das „Atomic Layer Deposition“ genannt wird. Der grosse Vorteil dieses Verfahrens ist die sehr gute Kontrolle der Schichtdicke der Membran, die in diesem Fall 100 Nanometer beträgt. Dieser Prozessschritt fand bei Partnern an der University of Colorado in Boulder, USA, statt.


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Drucksensor im Kleinformat: Aufsicht auf eine Sensormembran (dunkelgrau), in deren Mitte Kohlenstoff-Nanoröhren elektrisch kontaktiert sind. Die Nanoröhre selbst ist zu klein, als dass sie auf dem Bild erkennbar wäre. Für mehr Informationen siehe Fussnote 2. (Copyright (2006) American Chemical Society) gross

Um die Drucksensormembran zu erhalten, mussten die Wissenschaftler einen Teil der Siliziumscheibe mit Methoden der Mikromechanik photolithographisch wegätzen. Die Membran erreichte dann einen Durchmesser von 100 Mikrometern. Weitere Prozessschritte führten dazu, dass schliesslich im Zentrum der Membran Nanoröhren aufgebracht und mit Elektroden aus einer Titan-Gold-Legierung kontaktiert wurden.

Schwierig seien beim ganzen Prozess vor allem die Schritte zur Integration der Nanoröhren auf den Membranen gewesen, schauen Stampfer und Helbling auf das Herstellungsverfahren zurück. Das Aufbringen einzelner Röhren, die Herstellung der elektrischen und mechanischen Kontakte sowie die Handhabung der sehr dünnen und zerbrechlichen Strukturen hätten sich als sehr anspruchsvoll erwiesen. „Für viele Schritte nutzen wir deswegen das FIRST-Lab, ein Reinraumlabor der ETH Zürich. Dieses bietet uns hervorragende Möglichkeiten, Nano- und Mikrotechnologien zu verbinden, um unsere Demonstratoren herzustellen (3).“

Nach der Herstellung waren natürlich Tests für den Sensor angesagt. Dafür mussten zuerst die mechanischen Eigenschaften der Membran, beziehungsweise die durch verschiedene Druckdifferenzen erreichbaren Auslenkungen gemessen werden. Aus diesen Daten können die Forscher die ortsabhängige Membrandehnung berechnen. Diese Information wiederum wird benötigt, um bei gleichzeitiger elektrischer Messung des Röhrenwiderstandes die elektromechanischen Eigenschaften der Nanoröhren auszuwerten. Die Forscher konnten beobachten, dass der elektrische Widerstand der Nanoröhren eine Funktion der durch die Druckdifferenz bedingten Membrandehnung ist. – Der Sensor funktionierte also, wie erhofft.

Grosses Entwicklungspotenzial für noch kleineren Sensor

Der demonstrierte Drucksensor verwendet metallische Kohlenstoff-Nanoröhren als elektromechanische Signalwandler, die mit ihrer Empfindlichkeit bereits andere sogenannte Piezowiderstände aus herkömmlichen Materialien geringfügig übertreffen. Ein Kommentator in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ schrieb zur ETH-Entwicklung: „Dieser Sensorprototyp funktioniert bereits so gut wie der Stand der Technik. Die grösseren Gauge-Faktoren, die für gedehnte Nanoröhren in anderen Experimenten nachgewiesen wurden, scheinen den Schluss zuzulassen, dass die Empfindlichkeit noch signifikant verbessert werden kann.“

Doch zukünftige Drucksensoren könnten nicht nur feinfühliger sein, sondern auch viel kleiner. Denn gemäss Christoph Stampfer und Thomas Helbling können sie ihren Sensor ohne grössere konzeptionelle Änderungen noch deutlich verkleinern. Eine kleinere Ausführung ist aber nur eine weitere Aufgabe, der sich die ETH-Forscher stellen. Sie wollen in weiteren Experimenten herausfinden, ob sich die Kohlenstoff-Nanoröhrchen gezielt und direkt auf der Sensormembran durch einen Wachstumsprozess integrieren lassen. Gelingt den Ingenieuren dieses gezielte Wachstum, dann wäre das auch die Basis für eine reproduzierbare Herstellung im grossen Massstab. Eine solche Errungenschaft würde sicher auch die Firmen, die in der Entwicklung und Herstellung von Sensoren tätig sind, auf den Plan rufen.


Fussnoten:
(1) ETH-Professur für Mikro- und Nanosysteme am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik: http://www.micro.mavt.ethz.ch/. Die Gruppe ist Gründungsmitglied der neuen Plattform für Mikro und Nanowissenschaften der ETH Zürich: www.micronano.ethz.ch
(2) C. Stampfer, T. Helbling, D. Obergfell, B. Schöberle, M.K. Tripp, A. Jungen, S. Roth, V. M. Bright, C. Hierold. “Fabrication of Single-Walled Carbon-Nanotube-Based Pressure Sensors”, Nano Letters, Vol. 6, No. 2, pp. 233-237, 2006 : http://pubs.acs.org/cgi-bin/article.cgi/nalefd/2006/6/i02/pdf/nl052171d.pdf
(3) FIRST-Lab der ETH Zürich: www.first.ethz.ch/



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