Spitze aus diamantähnlichem Material ist härter als jede Siliziumspitze

Deutsche und amerikanische Forscher entwickelten eine extrem scharfe, harte und robuste Spitze aus diamantähnlichem Kohlenstoff und setzten damit in der Branche höchste Maßstäbe. Die diamantähnliche Spitze wurde mithilfe von EU-Fördergeldern entwickelt und ist im Nanometerbere...

Deutsche und amerikanische Forscher entwickelten eine extrem scharfe, harte und robuste Spitze aus diamantähnlichem Kohlenstoff und setzten damit in der Branche höchste Maßstäbe. Die diamantähnliche Spitze wurde mithilfe von EU-Fördergeldern entwickelt und ist im Nanometerbereich 3.000-mal verschleißfester als eine Spitze aus Siliziumoxid, wodurch sie sich ideal für den Einsatz in der Rasterkraftmikroskopie, in sondenbasierten Datenspeichern und anderen neu entstehenden Anwendungen eignet. Die Entwicklungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift "Nature Nanotechnology" publiziert.

Die Forschungen waren Teil des mit 5,3 Millionen EUR unter dem Themenbereich "Technologien für die Informationsgesellschaft" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) finanzierten Projekts PROTEM (Probe-based terabit memory). An der aktuellen Studie beteiligten sich das Schweizer Forschungsinstitut IBM Research - Zürich und die US-amerikanischen Universitäten von Pennsylvania und Wisconsin.

Wie die Autoren der Studie schreiben, sei "ein besseres Verständnis von Reibung und Verschleiß im Nanometerbereich [dem in der Nanotechnologie gebräuchlichen Längenmaßstab] bedeutsam für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen Nanotechnologiekomponenten auf Oberflächen gleiten". Beispiele für solche innovativen Anwendungen sind u.a. Nanolithographie, Nanometrologie und Nanobearbeitung.

Diamantähnlicher Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC) wird häufig zur Beschichtung von Oberflächen eingesetzt, die im makroskaligen Bereich sehr verschleißfest und damit reibungs- und abriebarm sein müssen, so die Autoren. Eine entscheidende Rolle spielte hierbei immer die Abriebfestigkeit im Nanometerbereich, zumal die Herstellung nanoskaliger Strukturen aus diamantähnlichem Kohlenstoff schwierig ist.

Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen Makro- und Nanoebene ist, dass Defekte, Risse und andere Fehler, die die Materialfestigkeit und den Abrieb im makroskopischen Bereich beeinflussen, im Nanobereich eher vernachlässigbar sind.

Die von den Forschern entwickelte Nanospitze nutzt sich wesentlich langsamer ab als eine nach neuestem Stand der Technik hergestellte Siliziumspitze. Die Verschleißrate des Materials beim Gleiten auf Siliziumdioxidsubstrat beträgt ein Atom pro Mikrometer und setzt damit völlig neue Standards.

"[Das diamantähnliche Kohlenstoffmaterial] ist unter humiden Bedingungen sehr reibungsarm und im Nanometerbereich 3.000-mal verschleißfester als Silizium unter Umgebungsbedingungen, wie wir herausfanden", so die Forscher.

Die Materialkombination aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Silizium und Sauerstoff wurde in Form einer Nanospitze auf das Ende eines Silizium-Mikrocantilevers aufgebracht, wie er in der Rasterkraftmikroskopie verwendet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen, lediglich oberflächenbeschichteten Spitzen besteht nun die gesamte Spitze aus dem neuen Material. Die Forscher entwickelten zudem eine Gusstechnik für das Aufbringen der Spitze auf den Silizium-Mikrocantilever und ein Massenherstellungsverfahren für die künftige kommerzielle Nutzung.

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Deutschland, Vereinigte Staaten