Technische Physik

Diamant - vom Schmuckstein zum High-Tech-Material

Diamant Nanokristallite und nanokristalline Schicht; UNCD als Cluster und Schicht

Für viele Menschen beschwört das Wort “Diamant” Bilder von Schmuck und Reichtum herauf, doch für Wissenschaftler ist Diamant ein Material mit herausragenden Eigenschaften. In vieler Hinsicht ist Diamant das “Beste und Größte”: Er ist das härteste bekannte Material, ist chemisch inert und besitzt einen niedrigen Reibungskoeffizienten, einen hohen elektrischen Widerstand, eine exzellente thermische Leitfähigkeit und gute Biokompatibilität. Durch Dotierung wird Diamant ein Halbleiter mit großer Bandlücke, extrem hoher Durchbruchsspannung und hoher Ladungsträgerbeweglichkeit. Über einen weiten Wellenlängenbereich vom Ultravioletten bis ins ferne Infrarot ist Diamant transparent und kann auch starker elektromagnetischer Strahlung von Röntgen- oder Laserquellen standhalten. Diese einzigartigen Eigenschaften von Diamant und Diamantschichten machen deren Nutzung für ein breites Feld von Anwendungen interessant. Dazu gehören abriebfeste und transparente Schutzbeschichtungen für optische Komponenten, Wärmeverteiler sowie neuartige Halbleiterbauelemente.

Die Gruppe von Dr. habil. Cyril Popov am Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik arbeitet seit mehr als 15 Jahren an der Abscheidung, Charakterisierung und Anwendung dünner Diamant-schichten. Das wissenschaftliche Aufgabengebiet umfasst die Untersuchung der Keimbildung und der Wachstumsmechanismen von Schichten während der Chemischen Gasphasenabscheidung in Mikrowellen-Plasmen oder mit heißen Wolfram-Filamenten. Durch Veränderung der wichtigsten Prozessparameter ist es möglich, Diamantschichten mit unterschiedlichen Kristallgrößen herzustellen. Dazu gehören der polykristalline Diamant (PCD) mit Korngrößen im Bereich einiger Mikrometer, nanokristalline Schichten (NCD) mit Korndurchmessern von einigen Hundert Nanometern sowie ultrananokristalliner Diamant (UNCD), bei dem Diamantkristallite mit Größen zwischen drei und fünf Nanometer in eine Matrix aus amorphem Kohlenstoff eingebettet sind. Nano- und ultrananokristalline Diamantschichten behalten zu einem Großteil die hervorragenden Eigenschaften von Diamant bei, allerdings sind ihre Oberflächen wesentlich glatter als die von polykristallinen Schichten. Neben geschlossenen, gleichmäßigen Schichten können durch Veränderung von Nukleationsdichte und Abscheidungsdauer auch einzelne Diamant-Nanostukturen wie Nanokristallite oder Cluster hergestellt werden.

Die Abscheidung von Diamantschichten und -nanostrukturen ist auf verschiedensten, technologisch interessanten Materialien wie Silizium, Siliziumoxid und -nitrid, Titannitrid, Glas und Chirurgenstahl möglich. Dies gilt auch für das Wachstum auf strukturierten Substraten und mit definierten Mustern.

Diamant, der beste Freund des Biologen

Rasterkraftmikroskopie-Bild der Immobilisierung von RNA auf einer UNCD-Oberflaeche und Wachstum von Neuronen auf UNCD

Wegen seiner Bioverträglichkeit, dem großen elektrochemischen Potentialfenster und der hohen chemischen Stabilität ist Diamant ein idealer Kandidat für biomedizinische und biotechnologische Anwendungen, zum Beispiel als Plattform für Biosensoren und DNA-Chips sowie als Beschichtung für Prothesen und medizinische Instrumente. Für verschiedene Bioanwendungen, bei denen der Diamant in direkten Kontakt mit Zellen, Proteinen und RNA oder DNA kommt, müssen die Eigenschaften der Oberfläche angepasst werden. Dazu besteht der erste Schritt in einer Oberflächenmodifizierung. Hier stehen eine Vielzahl von Techniken wie Plasmaprozesse mit O2, NH3, H2 und CHF3 oder auch zur UV/Ozon-Behandlung zur Verfügung, die Einfluss auf die Benetzbarkeit, die Oberflächenenergie und -leitfähigkeit nehmen.

Unterschiedliche chemische Terminierungen ermöglichen verschiedenste Wege für eine weitere Funktionalisierung der Diamantoberflächen. Zum Beispiel wurde die Oberfläche von ultrananokristallinen Diamantschichten über ein Linkermolekül und eine Thiolbindung mit einzelsträngiger DNA funktionalisiert. Diese Arbeit wurde in Zusammen mit der AG Genetik von Prof. Nellen durchgeführt und zeigt, dass es möglich ist, einzelne Moleküle auf der Oberfläche von UNCD zu immobilisieren und mithilfe von Rasterkraftmikroskopie zu detektieren. Eine weitere CINSaT-Kooperation mit der AG Tierphysiologie von Prof. Stengl beschäftigt sich mit der Entwicklung von Diamantsubstraten für das Anhaften und Wachstum von Nervenzellen. Dabei zeigen NH2- und OH-terminierte UNCD Oberflächen besonders schnelle, starke Anheftung der Neuronen, ohne die Lebensfähigkeit und das natürliche Verhalten zu beeinträchtigen. 

Ideales Material für Energiegewinnung und Quantenkryptographie

Diamant Nanosäulen mit intergierten NV-Zentren

Diamant ist außerdem eine ideale Grundlage für eine Energiegewinnung mittels  künstlicher Photosynthese. Nanokristalline Diamantfilme, mit Bor dotiert um die Leitfähigkeit zu erhöhen und geeignete Elektroden herzustellen, wurden auf verschiedenen Weise modifiziert. In Zusammenarbeit mit der AG Metallorganik von Prof. Siemeling wurde die Beschichtung dieser Oberflächen mit photosensitiven Molekülen (Phtalocyanin, dem synthetischen Analogen zu natürlichem Chlorophyll) untersucht. Photochemische Studien zeigten einen klaren Unterschied im elektrischen Verhalten bei Dunkelheit beziehungsweise bei Beleuchtung mit Licht der Wellenlänge 770 nm. Dies entspricht dem Absorptionsmaximum der verwendeten Phatlocyanine.
Im letzten Jahrzehnt hat sich Diamant als ein einzigartiges Material für die Anwendung in der Quanteninformationstechnik sowie der Magnetometrie auf Nanoebene herausgestellt. Dabei wird einer der bekanntesten lichterzeugenden Defekte im Diamantgitter verwendet: Stickstoff-Fehlstellen-Farbzentren (kurz NV-Zentren). Diese Defekte entstehen während der Abscheidung der Nanodiamanten. Aus nanokristallinen Diamantschichten werden Nanosäulen mit verschiedenen Durchmessern mithilfe von Elektronenstrahllithographie und reaktiven Ionenätzen herausgearbeitet. Optische Untersuchungen offenbarten NV-Zentren sowohl in den Nanosäulen als auch in den einzelnen Nano-kristalliten. Die Strukturierung erhöht dabei die Fluoreszensintensität im Vergleich zu geschlossenen Schichten um ein Vielfaches.

Obwohl einige wissenschaftliche Aufgaben wie der Optimierung grundlegender und für die Anwendung wichtiger Eigenschaften der Diamantschichten noch gelöst werden müssen, machen die hier präsentierten Eigenschaften und Anwendungen bereits klar: Diamant wird das Material des 21. Jahrhunderts!



Ansprechpartner

PD Dr. Cyril Popov

Anschrift Universität Kassel
Fachbereich 10 - Naturwissenschaften & Mathematik
Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik
Heinrich-Plett-Str. 40
34132 Kassel
Raum Raum 2115
Telefon +49 561 804-4205
Telefax +49 561 804-4136
Bild von PD Dr. Cyril  Popov