In einer Atom-Lochkamera passieren Atome Lochblenden in einer Maske und erzeugen eine verkleinerte Nanostruktur des Maskenmusters auf einem Substrat. Bildnachweis: PN Melentiev et al.

(PhysOrg.com) - 1983 schlug Richard Feynman die Idee einer Maschine vor, mit der kleinere Kopien von sich selbst erstellt werden können. Ein solches System ist heute noch eine Herausforderung, aber eine Maschine, die nanometergroße Kopien von mikrometergroßen Objekten herstellen kann, könnte sich in modernen Nanotechnologien als äußerst nützlich erweisen.

Um dieses Ziel zu erreichen, haben Wissenschaftler des Instituts für Spektroskopie der Russischen Akademie der Wissenschaften eine Methode zur Nanofabrikation unter Verwendung einer Atom-Lochkamera entwickelt. Zum ersten Mal haben die Forscher gemeinsam mit den Autoren des Moskauer Instituts für Physik und Technologie experimentell gezeigt, wie man mit der Kamera eine Anordnung identischer atomarer Nanostrukturen kontrollierter Formen und Größen herstellt. Die Technik könnte einzelne Nanostrukturen bis zu 30 nm erzeugen, was einer 10.000-fachen Größenverringerung gegenüber dem ursprünglichen Objekt entspricht.

"Unsere gegenwärtigen experimentellen Ergebnisse zeigen eine Auflösung von ungefähr 30 nm, aber unsere Berechnungen (die theoretische Vorhersage) zeigen, dass die Auflösung bis zu ungefähr 6 nm betragen kann", sagte Victor Balykin von der Russischen Akademie der Wissenschaften gegenüber PhysOrg.com .

Wie die Wissenschaftler erklären, basiert die von ihnen entwickelte Atom-Lochkamera auf der Idee einer optischen Lochkamera, die häufig in der Optik eingesetzt wird, wenn die Herstellung einer Fokussierlinse schwierig ist. Anstelle von Licht, das durch eine Linse läuft, läuft Licht durch eine Lochblende auf einer Maske und erzeugt ein invertiertes Bild auf einem Substrat auf der anderen Seite. Optische Lochkameras können qualitativ hochwertige Bilder mit einer hohen Auflösung erzeugen, die vom Durchmesser der Lochblende abhängt.

In einer Atom-Lochkamera verhalten sich Atome wie Photonen in einer optischen Lochkamera, so dass die Hauptprinzipien in beiden Versionen gleich sind. In ihrem Versuchsaufbau verwendeten die Wissenschaftler Ionenstrahlfräsen, um eine Lochblende in eine Maske zu stechen. Nachdem die Atome die Lochblende passiert hatten, bildeten sie eine atomare Nanostruktur auf einem Siliziumsubstrat. Da die Atom-Lochkamera die Replikation von Objekten in Mikrogröße als Objekte in Nanogröße ermöglicht, ist die Kamera ein Beispiel für das skalierbare Fertigungssystem von Feynman.

Die Wissenschaftler stellten auch eine weitere Maske mit einer großen Anzahl von Nadellöchern her. In dieser "Atom-Multiple-Pinhole-Kamera" könnte jede Lochblende ein eigenes Bild erzeugen, das sich nicht mit benachbarten Bildern schneidet. Wie die Wissenschaftler feststellten, könnte eine Kamera mit bis zu 10 Millionen Nadellöchern die Möglichkeit eröffnen, gleichzeitig eine große Anzahl identischer (oder verschiedener) Nanostrukturen zu erzeugen.

Die Verwendung einer Atom-Lochkamera zur Herstellung von Nanostrukturen bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu anderen Nanofabrikationstechniken, zu denen die optische Photolithographie (bei der ein lichtempfindliches Material durch Licht geformt wird), die Nanolithographie (bei der fokussierte Teilchenstrahlen Objekte formen) und die Atomoptikmethoden gehören Linsen, die durch Beugung begrenzt sind.

"Gegenwärtig gibt es viele verschiedene Methoden, um die Nanostrukturen auf einer Oberfläche aufzubauen, aber normalerweise sind sie sehr kompliziert, in der Materialauswahl begrenzt und kostenintensiv", sagte Balykin. "Unsere Maschine kann in jedem Labor (mit vertretbarem Aufwand und von einem Doktoranden) gebaut werden und wird eine notwendige Nanostruktur erzeugen."

Die Atom-Lochkamera ist eine neuartige Technik der linsenlosen Atomoptik, bei der die Beugung zu ihrem Vorteil genutzt wird. Während es den Anschein hat, dass die Auflösung in einer Atom-Lochkamera auf den Durchmesser der Lochkamera beschränkt ist, zeigen die Forscher in einer kommenden Studie, dass der Bildfleckdurchmesser aufgrund von Beugungseffekten dreimal kleiner sein kann als der Lochdurchmesser.

Die neue Methode kann mit einer Vielzahl von Materialien für Nanostrukturen (z. B. Atome, Moleküle und Cluster) und einer Vielzahl von Substraten verwendet werden, was sie für verschiedene Anwendungen wie Elektronik und biologische Anwendungen nützlich machen könnte. Die Wissenschaftler prognostizieren, dass die Methode in Metamaterialien, Plasmonik, Spintronik, MEMS / NEMS und mehr Anwendung finden könnte.

Weitere Informationen : PN Melentiev, AV Aablotskiy, DA Lapshin, EP Sheshin, AS Baturin und VI Balykin. "Nanolithographie basierend auf einer Atom-Lochkamera." Nanotechnology 20 (2009) 235301 (7 Seiten).

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