Nano-Werkzeug aus der Welt des Lichts
Der Laser gehört zu den wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Seinen Erfolg verdankt er unter anderem der Nanotechnik. Wie beide Techniken voneinander profitieren, schildert im folgenden Beitrag Christian Kulik vom Laser Zentrum Hannover (LZH).
Die Lasertechnik ist eng mit „Nano“ verwoben: Laser sind als Werkzeug für die Nanotechnik unentbehrlich. Umgekehrt profitiert die Lasertechnik schon lange von den Strukturen im Kleinstformat.
Ein Laser schweißt oder schneidet Stahl – für Schiffe oder Autos. Er isoliert feinste Drähte ab und belichtet Halbleiterchips. Ein Laser strukturiert mikro- und nanotechnische Oberflächen, indem er härteste Materialien punktgenau verdampft oder belichtet.
So verschieden all diese Anwendungen auch sind – das Prinzip des Lasers ist fast immer das gleiche. Ein laseraktives Medium wird angeregt und emittiert Photonen. Spiegel und Linsen bündeln und verstärken dann die hochenergetische Strahlung.
Die optischen Komponenten müssen stark reflektierend bzw. besonders durchsichtig sein, damit der Laser sie nicht beschädigt und damit möglichst wenig Energie verloren geht. So beschichtet man sie mit Materialien wie Aluminiumoxid oder Magnesiumfluorid. Diese ultradünne Beschichtung misst je nach Laseranwendung zwischen 25 nm und 200 nm und macht eine effektive Bearbeitung des Lasermaterials überhaupt erst möglich.
Nicht nur die Beschichtungen im Nanometer-Maßstab beeinflussen den Laserstrahl. Auf der Basis von Nanotechnik haben Forscher von der TU Berlin eine völlig neue Art der Laserquelle entwickelt: den so genannten Quantenpunktlaser. Dabei entsteht Licht in winzigen Pyramiden aus halbleitendem Material, in denen nur wenige Atome Platz finden.
Die Wellenlänge des ausgesandten Lichts hängt von der Größe dieser Pyramiden ab, nicht vom verwendeten Material. So lassen sich Laser mit bisher unerreichbaren Wellenlängen herstellen. 100 Mrd. solcher Pyramiden, so genannter Quantenpunkte, finden auf einer Fläche von 1 cm2 Platz. Statt diese Pyramiden einzeln zu fertigen, was mühsam und ökonomisch unsinnig wäre, hat die Berliner Forschergruppe einen Weg gefunden, wie sich die Atome von selbst zu den gewünschten Pyramiden formen. Ist die Technik einmal ausgereift, wird der Quantenpunktlaser wohl hauptsächlich in der Telekommunikation Verwendung finden.
Doch die Lasertechnik profitiert nicht nur von der Nanotechnik. Der Laser fertigt feinste Strukturen berührungslos und kräftefrei – das prädestiniert ihn für die Herstellung von Nanostrukturen. Selbst der UV-Laser kann Submikrometerlöcher in Glas oder Polymere bohren – für Filter in der Biotechnologie. Eine Stufe feiner arbeitet der Vakuum-UV-Laser. Er kann zum Beispiel Teflon-Folien auf wenige Mikrometer ausdünnen, so dass Poren mit wenigen Nanometern Durchmesser entstehen, durch die Moleküle diffundieren können. Ein Prinzip, das für Fluid- oder Gassensoren genutzt werden kann.
In der Medizin können Laser die Heilung beschleunigen. Auf Implantaten erzeugen sie Nano-Strukturen, auf denen Zellen rascher wachsen, so dass sich das Implantat leichter in den Körper einfügt.
Nanopartikel dienen häufig als Ausgangsstoff für neue Materialien wie Sintermetalle mit außergewöhnlich hoher Festigkeit oder nahezu unzerbrechliche Keramiken. Diese Partikel können mittels Laser leicht hergestellt werden: Das Ausgangsmaterial wird im Laserstrahl verdampft und kondensiert zu Nanopartikeln, die zwischen 5 nm und 100 nm groß sind.
Hochauflösende Lasersysteme können Nanopartikel außerdem auf verschiedenen Oberflächen punktuell so befestigen, dass feinste Strukturen mit nanotechnischen Eigenschaften entstehen. Auf diese Weise werden Druckplatten verbessert: die Druckerschwärze wird homogen verteilt und sie kleben und verschleißen weniger.
In der Halbleiterindustrie bearbeiten Laserstrahlen Millionen von Chips (Photolithographie). Den Halbleiter belichten so genannte Excimerlaser – gepulste Gaslaser, die hochenergetische ultraviolette Strahlung aussenden. Je nach Gasgemisch strahlt dieser Laser derzeit mit Wellenlängen bis 157 nm. So kann er feinste Strukturen bis zu 130 nm auf einem Chip erzeugen, der auf diese Weise schneller wird, was wiederum die Rechenleistung erhöht.
Noch leistungsfähiger werden die Rechner, wenn die Lasertechnik auch hier in den Nanobereich vordringt: Es werden Quellen entwickelt, die Strahlung im EUV-(extremen Ultraviolett)-Bereich mit Wellenlängen von 11 nm bis 13 nm emittieren. Solche Laser ermöglichen die Herstellung kleinster Schaltelement für Computer mit gigantischen Rechenleistungen.
Irgendwann ist allerdings die Grenze der Verkleinerung erreicht. Nur so genannte photonische Computer können die Größe der herkömmlichen Rechner noch unterschreiten. Optische Verbindungswege und Speicherzellen sollen dann die elektronischen ersetzen. Diese Ansätze erlauben die dreidimensionale Anordnung von immens schnellen Schaltungen. Und auch bei derartigen Systemen werden Laser eine maßgebliche Rolle spielen: nicht nur bei der Entwicklung und Herstellung, sondern auch als Energiequellen.
CHRISTIAN KULIK
Der Autor leitet am LZH die Gruppe Mikrotechnik und Modellierung.
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