Die Arbeitsgruppe „Nanostrukturierung und Rastersondenverfahren“ (www.schimmel-group.de) befasst sich mit Herstellung, Analyse, Eigenschaften und Anwendung von Nanostrukturen. Im Bereich der Herstellung von Nanostrukturen entwickeln wir sowohl neuartige rastersonden-basierte Lithographie-Verfahren („Top-Down Approach“) als auch Verfahren der Nanostrukturbildung durch Selbstorganisation („Bottom-Up Approach") sowie Kombinationen beider Verfahren. Die Spitze des Rasterkraftmikroskopes (AFM) dient dabei nicht nur als Strukturierungswerkzeug, sondern auch als Abbildungs- und Analyseinstrument.
Beispiele für unsere Neuentwicklungen, die zu ca. 20 internationalen Patentanmeldungen führten, reichen vom weltweit kleinsten Transistor, der auf der Basis einzelner Atome quantisierte Ströme schaltet über kristalline Nanodrähte mit mehr als einer Größenordnung erhöhter mechanischer Festigkeit bis zum neu entwickelten Verfahren des Nanocontact Printing.
Forschungsgebiete
- Atomare Elektronik – Quantisierte Ströme schalten mit einzelnen Atomen
- Nanoanalytik und Nanolithographie mit Rastersondenverfahren
- Funktionelle Oberflächen und biofunktionelle Nanostrukturen
- Strukturbildung und Selbstorganisation auf der Nanometer-Skala
Elektronik am Limit: Atomare Transistoren
In unserer Arbeitsgruppe ist es erstmals gelungen, elektronische Schaltelemente auf der Basis einzelner Atome zu realisieren. Durch das gezielte Umlagern eines einzigen Silber-Atoms in einem winzigen metallischen Kontakt lässt sich ein elektrischer Stromkreis kontrolliert öffnen und schließen. Solche atomaren Relais bzw. Einzelatom-Transistoren werden durch ein elektrisches Kontroll-Potential gesteuert, das an eine unabhängige dritte Elektrode, die Gate-Elektrode, angelegt wird. Die Bauelemente funktionieren reproduzierbar bei Raumtemperatur und eröffnen faszinierende Perspektiven für die Quantenelektronik und für atomare Logik-Schaltungen.
Nanoanalytik und Nanolithographie mit Rastersondenverfahren
Um erfolgreiche Forschung und Entwicklung im Bereich der Nanotechnologie zu betreiben, müssen geeignete Messmethoden entwickelt werden, die eine möglichst umfassende Charakterisierung der Eigenschaften von Nanostrukturen erlauben. Dabei gilt es, nicht nur die dreidimensionale Oberflächenstruktur mit hoher Auflösung abzubilden, sondern auch lokale Materialeigenschaften zu untersuchen sowie Materialinhomogenitäten und chemische Kontraste ortsaufgelöst zu erkennen. Konventionelle Untersuchungsverfahren stoßen dabei zunehmend an ihre Grenzen. Wir zeigen, wie mit neuartigen Verfahren chemische Reaktionen in situ und in Echtzeit induziert und verfolgt und geringste chemische Veränderungen an Werkstoffoberflächen ortsaufgelöst nachgewiesen werden können.
Funktionelle Oberflächen und biofunktionelle Nanostrukturen
Vom Lotuseffekt bei Pflanzen bis zum Verhalten von Zellen auf Oberflächen und dem Anwachsen von Implantaten spielen mikro- und nanostrukturierte Oberflächen und Grenzflächen bei biologischen Systemen eine zentrale Rolle. In unserer Arbeitsgruppe werden in enger Zusammenarbeit mit Biologen, Medizinern und Chemikern neuartige nanostrukturierte biofunktionelle Oberflächen entwickelt und insbesondere das Verhalten von biologischen Zellen auf diesen Oberflächen untersucht.
Strukturbildung und Selbstorganisation auf der Nanometer-Skala
In der Mikroelektronik besteht zunehmender Bedarf an Herstellungsverfahren für nanoskalige Leiterbahnen. Dabei spielen insbesondere bei der Chipfertigung elektrochemische Prozesse eine zentrale Rolle. Durch das hier vorgestellte Verfahren können durch Selbstorganisation elektrochemisch ausgedehnte Arrays von Nanodrähten hergestellt werden.
Fünf ausgewählte Publikationen
1. F. Xie, R. Maul, Ch. Obermair, E.B. Starikov, W. Wenzel, G. Schön, Th. Schimmel:
Atomic transistors with predefined quantum conductance by reversible contact reconstruction.
Nano Letters, 8(12), 4493-4497 (2008).
2. T. Geldhauser, P. Leiderer, J. Boneberg, S. Walheim, Th. Schimmel:
Generation of Surface Energy Patterns by Pulsed Laser Interference Lithography
on Self-Assembled Monolayers.
Langmuir, in press (2009).
3. F. Xie, R. Maul, Ch. Obermair, E.B. Starikov, W. Wenzel, G. Schön, Th. Schimmel:
Pre-selectable integer quantum conductance of electrochemically fabricated silver point contacts.
Applied Physics Letters, 93(4), 3103 (2008).
4. S. Zhong, P. Dupeyrat, R. Gröger, M. Wang, Th. Koch, Th. Schimmel:
Periodical Nanostructured “Multiline” Copper Films Self-Organized by Electrodeposition:
Structure and Properties.
J. Nanosci. Nanotechnol., in press (2009).
5. S. Zhong, Th. Koch, M. Wang, T. Scherer, S. Walheim, H. Hahn, Th. Schimmel,
Nanoscale Twinned Copper Nanowire Formation by Direct Electrodeposition.
Small, published online 2009-08-10, in press (2009).
