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 3000°C) in einem Kohlenstoff-Plasma, das beispielsweise in einem Lichtbogen zwischen zwei Graphit-Elektroden erzeugt wird, oder sie werden bei weniger hohen Temperaturen (etwa 900°C) 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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