Nanodraden met een gouden stempel

De foto (klik hem aan om te vergroten) toont nanodraadjes. Even lang, even dik, keurig in het gelid. Dat is goed nieuws want zo eenvormig en gehoorzaam waren die draadjes tot nog toe niet, terwijl dat wel gewenst is voor toepassingen in nanotechnologie. Met een perfect geordende groeibodem lukt het nu aan beide vereisten te voldoen. Door toepassing van een nieuwe stempeltechniek is het proces ook nog eens gemakkelijker herhaalbaar en daardoor betaalbaar.

De nieuwe vondst komt voort uit een samenwerking van het Institute for Molecules and Materials (IMM) van de Radboud Universiteit Nijmegen, Philips Research Eindhoven, TU Delft,  Amolf en het Materials innovation institute (M2i)

Rienk Algra, chemicus aan de Radboud Universiteit Nijmegen, laat nanodraden groeien door materiaal (in dit geval: indiumfosfide) vanuit de gasfase via een vloeibaar gouddruppeltje te laten kristalliseren. Eerder liet hij in Nature zien dat de maat van de drupjes de doorsnede van de nanodraadjes en de defecten erin nauwkeurig bepaalt. Het zoeken was nog naar een manier om die gouddrupjes keurig in het gelid te krijgen. Dat is nog niet zo eenvoudig.

Dit gebeurt als je gouddrupjes maakt door een dun goudfilmpje op de groeibodem te verwarmen. Er ontstaan dan druppeltjes van verschillend formaat. Dat levert nanodraden op met verschillende diameters. Ook de positie is willekeurig.

20 nanometer

50 nanometer

Dit is het resultaat door gebruik te maken van goudcolloïden - een oplossing van gouddeeltjes van één bepaalde grootte. Aan de diametereis is voldaan (hier 20 en 50 nanometer), van orde is echter geen sprake.

Hoe het nu is: perfectie aan de basis

Dit is het resultaat van zogeheten e-beam lithografie: perfecte orde en perfecte controle op de diameter. In een laagje polymeer op de groeibodem wordt zeer precies een bepaald patroon geschreven, in dit geval nanogaatjes. Die worden vervolgens opgevuld met goud waaruit nanodraden groeien. Deze perfectie heeft een prijs: e-beam lithografie voor grote oppervlakken duurt lang (een wafer met een doorsnede van zes centimeter kost ongeveer 48 uur) en die schrijftijd is duur (duizenden euro's). Daarbij komt dat het gemaakte patroon slechts een keer bruikbaar is.

Dat kan beter, bedachten ze bij Philips. Het bedrijf ontwikkelde een stempel die gemaakt wordt met behulp van hetzelfde e-beam proces. Hiermee kan nu het gewenste patroon op de groeibodem gestempeld worden. Rienk Algra: ‘Wij hebben de stempel al vele keren gebruikt, maar hij is niet versleten. Dit heeft als voordeel dat onze stempeltechniek hierdoor goedkoop wordt. De techniek heeft wel als nadeel dat er meer vervuiling op de plaat blijft zitten. En elk vuiltje leidt tot kristallisatie zoals je hierboven ziet. Wij hebben twee bewerkingsstappen bedacht - een extra nat-chemische etsstap en verhitting tot 700 graden - die het groeioppervlak perfectioneren. En dan krijg je prachtige regelmatige draadjes over een groot oppervlak.'

Toepassingen

Fascinerend om te zien, maar... wat gaan we er mee doen? Algra heeft ideeën genoeg. ‘Kijk, hier hebben we kort een ander gas tijdens de groei gebruikt. Midden in het draadje zit een puntje van acht nanometer ander materiaal. Daar kun je optisch interessante nanodraden mee maken. Een andere mogelijkheid zijn nano-LEDjes. Waar we ook aan werken is een antireflectiecoating voor zonnecellen. Zo voorkom je dat er licht wegkaatst dat je liever in elektriciteit omzet. Een vachtje van nanodraden kan helpen meer licht naar de zonnecel te leiden. Voor al deze applicaties is controle van de diameter en positie erg belangrijk en kan onze stempeltechniek ons helpen.'

‘Generic nano-imprint process for fabrication of nanowire arrays'
Nanotechnology (print februari 2010, online 8-1)

Aurélie Pierret1, Moïra Hocevar1,2, Silke L Diedenhofen3,Rienk E Algra1,4,5, E Vlieg5, Eugene C Timmering1,Marc A Verschuuren1, GeorgeW G Immink1,Marcel A Verheijen1, and Erik P A M Bakkers1
1 Philips Research Laboratories Eindhoven; 2 TU Delft; 3 FOM; 4 Materials Innovation Institute (M2i), Delft; 5 IMM Radboud Universiteit Nijmegen.

Bron: Rijksuniversiteit Nijmegen