Schnittverfahren für 2D-Material in Atomgröße
2D-Materialien mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern oder weniger haben dank ihrer besonderen Eigenschaften wie einer mehrschichtigen Struktur, einer großen Oberfläche und unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen in den letzten Jahren verstärkt Beachtung gefunden. Durch diese Merkmale kommen sie potenziell als Ersatz für unterschiedliche herkömmliche Werkstoffe mit Anwendung in Feldeffekttransistoren, elektrochemischen und physischen Sensoren in Frage. Solche Werkstoffe werden zum Beispiel in tragbarer Elektronik, in der Optoelektronik und in der Halbleitertechnik verwendet. Für die meisten Anwendungen mit 2D-Material müssen mittels Lithographie funktionelle Nanostrukturen erzeugt werden. Dieses Verfahren kann sich schwierig gestalten, da der Einsatz von aggressiven Chemikalien oder beschleunigten elektrisch geladenen Teilchen, wie z. B. Elektronen und Ionen, die Materialeigenschaften schädigen kann. Um dieses Problem zu beseitigen, hat ein Forschungsteam nun eine Technologie entwickelt, die mithilfe eines Miniskalpells direkte und präzise Schnitte in 2D-Materialien ermöglicht. Das Team wurde bei seiner Arbeit durch das EU-finanzierte Projekt MEMS 4.0 (Additive Micro-Manufacturing for Plastic Micro-electro-Mechanical-Systems) unterstützt, das an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) durchgeführt wurde. Wie in einer Pressemitteilung der EFPL erklärt wird, nutzten die Forschenden „ein neues Verfahren zur Strukturierung auf der Nanoskala, die sogenannte thermische Rastersondenlithographie (t-SPL), die ähnlich wie ein Rasterkraftmikroskop funktioniert“. Das Forschungsteam veröffentlichte seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“. „Demonstriert wird ein thermomechanisches Einkerbungsverfahren, durch das mithilfe einer erhitzten Tastspitze in Nanogröße direkt in 2D-Materialien geschnitten werden kann. In einschichtigen 2D-Materialien – d. h. Molybdänditellurid (MoTe2), Molybdändisulfid (MoS2) und Molybdändiselenid (MoSe2) – werden beliebig geformte Schnitte mit einer Auflösung von 20 nm erreicht, indem die chemischen Bindungen thermomechanisch gespalten und die Polymerschicht unter der 2D-Materialschicht rasch sublimiert wird.“
Diverse Anwendungsmöglichkeiten
In der Pressemitteilung des EPFL merkte Studienautorin Dr. Ana Conde Rubio dazu an: „Wir verwenden Wärme, um das Substrat zu modifizieren und flexibler zu machen und in einigen Fällen sogar in ein Gas zu verwandeln. Wir können dann leichter in das 2D-Material eingravieren.“ Studienautor Dr. Samuel Tobias Howell ergänzt: „Wir verwenden ein computergesteuertes System, um den ultraschnellen Aufheiz- und Abkühlprozess und die Position der Spitze zu steuern. Dadurch können wir vordefinierte Einkerbungen machen, um zum Beispiel die Nanostreifen zu erzeugen, die in nanoelektronischen Geräten verwendet werden.“ Diese Technologie könnte in der Nanoelektronik, Nanophotonik und Nanobiotechnologie von großem Nutzen sein, „da sie dazu beiträgt, elektronische Komponenten kleiner und effizienter zu machen“, so Mitautorin Dr. Xia Liu. Die nächste Phase der Forschung wird sich darauf konzentrieren, „eine breitere Palette von Materialien zu untersuchen und Kombinationen zu finden, die in integrierten Nanosystemen funktionieren. Und die Forschenden wollen das Design des Auslegers und seiner Spitze überarbeiten, um den Schneidprozess noch genauer zu machen“, wie es in der Pressemitteilung heißt. Prof. Jürgen Brugger erklärt dazu: „Polymerbasierte mikroelektromechanische Systeme [MEMS] haben ein großes Potenzial für elektronische und biomedizinische Anwendungen. Aber wir stehen noch am Anfang der Entwicklung von Techniken für den Entwurf funktioneller Polymere in 3D-Mikrosystemen.“ Prof. Brugger hofft, „die Grenzen zu erweitern und neue Materialien und Prozesse für MEMS zu finden, indem er sich auf die Schablone, den Druckprozess, die gezielte Selbstorganisation von Polymeren und die lokalisierte thermische Verarbeitung konzentriert“. Das Projekt MEMS 4.0 in dessen Rahmen die Studie finanziert wurde, läuft bis September 2022. „Analog zum Konzept der Industrie 4.0 zielt MEMS 4.0 auf eine konzertierte Forschung im Bereich der additiven Fertigung auf Mikro- bzw. Nanoskala und damit verbundenen Schlüsseltechniken ab“, heißt es dazu im Informationsblatt des Projekts. Weitere Informationen: Projekt MEMS 4.0
Schlüsselbegriffe
MEMS 4.0, nanoelektronisch, 2D-Material, additive Fertigung, mikroelektromechanisch