Technische Elektronik

Wenn von 2011 an eine neue Generation von Herstellungstechniken für Computerchips die Informationstechnik revolutioniert, wenn Fenster künftig das Tageslicht stets genau an jene Stelle in den Raum hinein spiegeln, wo es benötigt wird, oder wenn gesundheitsbewusste Menschen zur Diagnose bestimmter Stoffwechselvorgänge demnächst in einen „Nano-Sensor“ blasen, statt sich einer Blutentnahme zu unterziehen, dann wird der Kasseler Elektrotechniker Hartmut Hillmer seinen Anteil daran haben. Er gehört dem CINSaT (Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology) an und ist einer der beiden Direktoren des INA, das sich kürzlich umbenannt hat. Aus dem Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik (IMA) wurde das Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA). Der Namenswechsel zeigt, worum es im Institut schon seit einigen Jahren geht: Die Nanotechnologie und die Weiterentwicklung der Mikrosystemtechnik in den Nanokosmos.

Das INA ist ein „Inkubationszentrum“. Es ist neben einem Forschungszentrum auch ein Technologietransfer-, Gründer-, und Entwicklungszentrum. Das INA erforscht und entwickelt nicht nur Materialien für die Nanowelt, es schafft auch die Werkzeuge, um Nano-Strukturen und -Komponenten zu bauen, und es konstruiert und fertigt schließlich die Nano-End-Systeme. Die Wissenschaftler des INA beherrschen die Nanotechnologie und Nanosystemtechnik, wie optische Systeme für Licht ultrakurzer Wellenlänge, das von Glasoptiken völlig absorbiert würde. Sie bauen Sensoren, die ein optisches oder mechanisches Signal in ein elektrisches wandeln, oder Aktuatoren, die ein elektrisches Signal in ein mechanisches oder optisches umsetzen. Dafür bietet das INA exzellente Arbeitsbedingungen. Es verfügt über 400 Quadratmeter Reinraum, teilweise mit einer Reinheitsklasse, die es wohl an keiner anderen
deutschen Hochschule geben dürfte. In Europas Industrieunternehmen, schätzt Hillmer, gebe es nur äußerst wenige Räume dieser Qualität.

Die Miniaturisierung ist nicht allein ein quantitativer Prozeß, sondern sie führt zu einer neuen Qualität der Materialien, der Werkzeuge, die aus ihnen gebaut sind, und sie erlaubt neue technische Lösungen schlechthin. Gewohntes verliert die ihm unterstellte Gesetzmäßigkeit. Nicht die Naturgesetze sind außer Kraft gesetzt, aber die Relationen zwischen den fundamentalen Kräften verschieben sich. Anschaulich wird dies an der Bedeutung der Kräfte in Relation zur Größe. In der großen Welt, der Makrowelt, in der wir leben, dominieren die Gewichts- und Trägheitskraft im Alltag. Sie führen vielfach zum mechanischen Verschleiß oder der Zerstörung, wenn sich Kolben in Motoren heben und senken oder wenn Fahrzeuge kollidieren. Die elektrostatische Kraft spielt in der Makrowelt nur selten eine große Rolle. Wenn aber die Dimensionen schrumpfen, nehmen alle Kräfte ab, jedoch in unterschiedlichem Maß. Mit sinkender Größe verlieren Gewichtsund Trägheitskraft rasch an Bedeutung. Die elektrostatische Kraft nimmt jedoch wesentlich weniger ab. Im Nanokosmos dominiert sie in Relation zu den anderen Kräften schließlich. Das heißt: Wenn ein Glas zu Boden fällt, zersplittert es. Fällt ein Kleinstpartikel dieses Glases zu Boden, bleibt er unversehrt. In der Zwergenwelt der Nanotechnologie gibt es kaum Verschleiß und Zerstörung wie in der Makrowelt. Das bedeutet zugleich: Je kleiner der Gegenstand, desto geringer kann die Spannung sein, um seine einzelnen Teile mit Hilfe elektrostatischer Kraft zu bewegen, denn Gewichts- und Trägheitskraft sind nahezu bedeutungslos.

Die Nanotechnologie beschleunigt den Informationsfluß. Das INA arbeitet daran, daß mehr Informationen in kürzerer Zeit ihren Empfänger erreichen. Filter wurden entwickelt, mit denen Information auf den Informationsträger Licht verschiedener Wellenlänge aufmoduliert und wieder entnommen wird. Die Information wird als Lichtsignal codiert im Glasfasernetz transportiert. Korrespondierende Sender und Empfänger sind auf eine Trägerfrequenz eingestellt. Der tragende Lichtstrahl liegt im Infrarot-Bereich und ist für Menschen nicht sichtbar. Die Frequenz beträgt zum Beispiel 193,4 Terahertz, das entspricht einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometern.

Hillmer und das INA gehören dem europäischen Konsortium neben Unternehmen wie Schott, Zeiss, Leica, Jenoptik, Clariant, Philips, ASML, Infineon, AMD und Roth& Rau an. Hillmer hatte die Einladung erhalten, aufgrund der internationalen Bestnoten in der Nanofiltertechnik dem Konsortium beizutreten. Das gibt Ansporn.

Extremes ultraviolettes Licht wird von Glas absorbiert, deswegen erleidet man hinter einer Fensterscheibe keinen Sonnenbrand. Das abbildende optische System für die EUV-Lithographie kann also nicht aus Glas sein, sondern es wird aus Spiegeln gefertigt sein. Diese gekrümmten Spiegel werden so angeordnet sein, daß das Licht im Zick-Zack-Kurs im Vakuum, ohne Brechung durch das Medium Luft, von Spiegel zu Spiegel geleitet wird. Das INA entwickelt Materialien als Spiegelflächen aus jeweils 2,3 und 3,9 Nanometer starken Silizium- und Molybdän-Schichten (Abbildung). Das Material wird in einem Sputter-Prozeß Atom für Atom auf der Trägerstruktur aufgebracht. Im Vakuum wird dazu eine Molybdän- oder Siliziumscheibe gezielt mit einem Ionenstrahl beschossen. Das getroffene Atom wird aus der Scheibe gelöst und fliegt, weil es sich im Vakuum befindet, gespiegelt zu jener Richtung weiter, die mit dem Strahl vorgegeben worden ist. Die Molybdänscheibe dient als Molybdänquelle. Die Trägerstruktur wird an genau jene Stelle geschoben, an der das Atom anhaften soll.

Die Nanotechnik kann mit Hilfe von Laserlicht auch riechen. Gelangt ein bestimmtes Molekül in einen Laserstrahl, so gibt die Lichtschwächung Auskunft über das Molekül. Dieses Konzept macht sich Hillmer in der Medizintechnik zu nutze. Der effektive Fettverlust während einer Diät läßt sich durch eine Analyse des Atems ermitteln. Bestimmte Stoffe in der ausgeatmeten Luft, sogenannte Biomarker, geben mittelbar Auskunft über die Fettverbrennung. Statt sich zu wiegen, was ungenau ist, weil neben dem Fettverlust auch andere Faktoren das Gewicht bestimmen, läßt Hillmer den Diätpatienten in eine Art „Trillerpfeife  blasen. In dem Mundstück ist ein Halbleiterlaser installiert. Die Schwächung des Lichtstrahls erlaubt den Rückschluß auf einzelne Moleküle in der zu untersuchenden Atemluft. Hillmer will die „Pfeife“ ins Mobiltelefon bauen, damit die Messung und Datenspeicherung an jedem Ort möglich ist und bei lebenswichtigen Anwendungen in der Stoffwechselüberwachung der Notarzt durch den Meßwert automatisch alarmiert wird.

Die Nanotechnologie kann helfen, Energie zu sparen. In einem Fenster lassen sich zwischen den Doppelscheiben Mikrospiegel-Arrays installieren, Felder von winzigsten Spiegeln, die mit zum Beispiel 100 mal 100 Mikrometer so klein sind, daß sie für das Auge unsichtbar sind. Über Sensoren will Hillmer die Spiegel so steuern, daß sie einen Raum stets dort ausleuchten, wo sich Menschen befinden und Tageslicht benötigen. Freilich lassen sich die Spiegel auch umklappen, um den Raum zu verdunkeln. Oder sie lassen sich pixelweise steuern. I heißt hell, und 0 heißt schwarz. Das Fenster wird zum Schwarz-Weiß-Monitor. Werden die Spiegel noch weiter miniaturisiert, daß sie nur noch Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektieren, lassen sich über die Arrays Interferenzen erzeugen. Wellen bestimmter Längen werden verstärkt, andere ausgelöscht. Die Fenster werden zum Farbmonitor, oder aber sie steuern die Raumfarbe. Filtern sie gelbes Licht heraus, schimmert der Raum blau.

Die einmal gedachte Technik ist vielseitig einzusetzen. Die Mikrospiegel können zu intelligenten, das Licht steuernden Lampenschirmen arrangiert werden, oder das Kurvenlicht in Autoscheinwerfern lenken, sie können Fassaden färben oder zu Bühnen der Videokunst verwandeln. Aber sie können auch helfen, Energie zu erzeugen, indem die Mikrospiegel den Sonnenstand nachfahren und die Energie gebündelt auf Photovoltaik-Elemente lenken.

Hillmer sucht nach Materialien und Strukturen, mit denen Wellenlängen zugänglich werden, die mit den heutigen Materialien noch nicht erreichbar sind. Dies um Informationen noch enger zu verdichten und ihren Fluß zu beschleunigen. Die CD als Datenspeicher mit 700 MB wird mit infrarotem Licht (780 Nanometer) gelesen. Die DVD verfügt als Datenspeicher über 4700 MB und wird mit rotem Licht (650 Nanometer) gelesen, das kurzwelliger ist als das infrarote. Die blue-ray disk speichert bis zu 20.000 MB und arbeitet mit blauem Licht bei 405 Nanometern. Ziel der Wissenschaftler ist ein Speicher, der von ultraviolettem Licht gelesen wird. Hillmer kooperiert dabei mit seinem Nachbarn und Kollegen Josef Salbeck am CINSaT, der sich dort mit der Entwicklung von Organic Light Emitting Devices (OLEDs) befaßt. Damit verwandte Laser könnten als Quelle des gewünschten kurzwelligen UV Lichts dienen. Hillmer denkt auch an die Erzeugung grünen Lichtes, wie es vor allem von den – im Vergleich zu den Glasfasern – preiswerten Polymerfasern absorptionsarm geleitet wird. Die Faser gibt es, aber noch fehlt der Laser für das passende Licht.

Autor: Claus-Peter Müller - v. d. Grün

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