Cluster & Nanostrukturen

Professor Dr. Frank Träger befaßt sich am Institut für Physik des Fachbereichs Naturwissenschaften der Universität Kassel sowie am CINSaT mit der Herstellung und Analyse von Clustern und Nanostrukturen.

Wenn Frank Träger, Leiter des Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT) an der Universität Kassel, von seiner Arbeit berichtet, klingt das zunächst wie die Tätigkeitsbeschreibung eines Metallverarbeiters, eines Schmieds oder Goldschmieds. Träger schneidet Metallteile zurecht, sucht nach Wegen, sie so zu bearbeiten, daß sie einander in Form und Größe möglichst ähneln. Häufig sind seine Werkstücke aus Gold oder Silber. Aber die Metallteile, die er optimiert, bearbeitet er nicht mit Hammer und Amboß, spannt sie nicht zum Feilen in den Schraubstock ein. Träger arbeitet in der Nanowelt. Deren Strukturen sind zwischen einzelnen Atomen und Molekülen sowie der makroskopischen Welt angesiedelt. Ein Nanometer mißt „einmal zehn hoch minus neun Meter“.

Die möglichst homogenen Metallteilchen mit der Größe von wenigen Nanometern, die aus nur etwa 1000 Goldatomen bestehen, braucht Träger, um mit ihrer Hilfe Nanoschalter zu bauen, die sich mit Licht betätigen lassen, fälschungssichere Initialen aufzubringen oder Nanostrukturen ähnlich wie Rankgitter zu konstruieren, an denen sich Moleküle anbringen lassen, um etwa Strom im Nanomaßstab fließen zu lassen. Trägers Traum ist es, mit seiner Arbeit einen Beitrag zu einer künftigen molekularen Elektronik zu leisten, denn die heutige Halbleiterelektronik werde schon in sehr naher Zukunft an die Grenzen ihrer Miniaturisierung stoßen.

Wer in Trägers Nanowelt eindringen will, muß umdenken. Stoffe aus der Makrowelt können sich in der Nanowelt in Abhängigkeit von ihrer Größe und Form ganz anders verhalten. Gold, das denkt ein jeder aufgrund seiner Alltagserfahrung, reagiere nicht mit anderen Stoffen, sei beinahe inert. Der Ehering bleibt stets sauber glänzend. Nichts haftet ihm an. Wenn Gold aber in Nanogrößen ins Spiel der Moleküle gebracht wird, kann es sehr wohl reagieren, sogar als Katalysator wirken. Dann ist Gold nicht golden, und Silber nicht silbern, sondern die Metalle schimmern in anderen Farben. Diese durch Größe und Form veränderten Eigenschaften der Metalle machen sich die Wissenschaftler zu nutze. Träger will passende, maßgeschneiderte Werkstoffe, Nanomaterialien, zur Verfügung stellen.

Im Ultrahochvakuum bringen die Nanowissenschaftler die Materialien, die sie bearbeiten wollen – meist Metalle oder Silizium – auf dünne Plättchen aus Quarz, Saphir oder Glas, Substrat genannt, auf. Dazu werden diese Materialien auf etwa 1000 Grad Celsius erhitzt, so daß sie verdampfen. Der heiße Atomstrahl wird auf das Substrat gerichtet. Dort diffundieren die Atome nach ihrer Landung über die Oberfläche und lagern sich zu Nanoteilchen zusammen. Dieser Prozeß verläuft zufällig, die entstehenden Nanoteilchen besitzen unterschiedliche Größe und Form.

Nun greift Träger zum Laser, um größenselektiv Energie in den Teilchen zu deponieren. Er wählt die Wellenlänge – also die Farbe – des Lichtes passend zur Größe der Nanoteilchen, die er bearbeiten will.  Denn jedes Nanoteilchen hat, in Abhängigkeit von seiner Größe, eine bestimmte Resonanzfrequenz. Diese gilt es zu treffen, denn nur dann wird Licht absorbiert. Dadurch geraten die Elektronen in kollektive Schwingungen, sie oszillieren im Gleichtakt, allerdings nur wenige Femtosekunden lang. Vom Licht des Laserpulses bestrahlt werden zwar alle Nanoteilchen auf der Oberfläche, es sprechen aber nur jene an und absorbieren Licht, deren Resonanzfrequenz exakt getroffen wird. Dann beginnt die Umwandlung der in den Nanoteilchen größenselektiv deponierten Lichtenergie in Wärme. Die Temperatur steigt, Atome dampfen ab. Die Nanoteilchen schrumpfen, wobei sich ihre Gestalt – dem thermodynamischen Idealzustand der Kugel zustrebend – allmählich verändert.

Auf einer solchermaßen homogenisierten Oberfläche lassen sich nun die Nanoteilchen als Ankerpunkte verwenden, beispielsweise um längere Molekülketten zwischen ihnen aufzuspannen und so räumlich ausgedehnte Nanostrukturen zu erzeugen. Umgekehrt nutzen Träger und seine Arbeitsgruppe außer Laserlicht auch Selbstorganisationsprozesse, um ultradünne hochgeordnete Filme herzustellen. Solche Architekturen sind in vielfältiger Weise anwendbar. Sie werden bereits erfolgreich zur Passivierung von Oberflächen, als Resistmaterial in der Nanolithographie, in der Katalyse und in der Sensorik eingesetzt.
Künftige Anwendungen liegen in der Datenspeicherung auf molekularer Ebene und der Nanoelektronik.

Entscheidend für eine erfolgreiche Präparation solcher Architekturen ist die Wahl geeigneter Moleküle. Als gut geeignet erwiesen sich Ligandenmoleküle, die in der Arbeitsgruppe „Metallorganische Chemie“ der Universität Kassel entworfen und synthetisiert wurden. Sie sind starr aufgebaut und verfügen über eiffelturmartige, tripodale Ankergruppen. Diese Thioether-Anker binden mittels drei schwefelhaltiger Gruppen auf Goldsubstraten. Solche Verbindungen werden mit verschiedenen funktionellen Einheiten versehen, zum Beispiel Biphenyl für lithographische Anwendungen oder auch redox-aktives Ferrocen, welches in der Sensorik und der Datenspeicherung Anwendung finden kann.

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