Neue Methode für 3D-Nanofabrikation im Maßstab von 0,001 mm

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Forscher der chinesischen Zhejiang Universität entwickelten durch die Kombination von Eis- und Elektronenstrahltechnologie eine neue, einfache Methode der 3D-Nanofabrikation für metallische Objekte.

Während 3D-Druck in unzähligen Anwendungsbereichen sehr hilfreich sein kann, stellt die Herstellung von extrem skalieren Objekten, ob nun klein oder groß, eine Herausforderung in der additiven Fertigung dar. Immer mehr Lösungen werden für großformatige 3D-Druck-Objekte angeboten, während beispielsweise die Fabrikation von metallischen Objekten im Maßstab eines menschlichen Haares immer noch einen hochkomplexen Prozess darstellt.

Nun glauben Forscher der in China ansässigen Zhejiang Universität diesen hochkomplexen Prozess um ein Vielfaches vereinfacht zu haben. Durch die Kombination aus Eis- und Elektronenstrahltechnologie gelang es den Forschern nun eine neue Methode der 3D-Nanofabrikation zu entwickeln.

Elektronenstrahllithographie ist im Wesentlichen ein Prozess, welcher Formenbau mit 3D-Druck kombiniert. Anstatt ein Trägermaterial um das 3D-Objekt zu legen, legt man zunächst das Trägermaterial ab und bestimmt die Form jeder Schicht. Vor dem Start eines Standard-EBL-Prozesses wird die Grundbauplatte mit Photoresist-Material beschichtet und ausgewählte Teile werden beleuchtet. Diese Beleuchtung führt in weiterer Folge zum Auflösen dieser Stellen und hinterlässt so ein Muster auf dem Objekt. Bei jeder neuen Schicht muss die Photoresistschicht entfernt, aufgefrischt und an die nächste Schicht angepasst werden.

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Elektronenstrahllithographie unter Verwendung von Eisresists (iEBL oder Ice EBL) stellt eine erweiterte Entwicklung des Standard-EBL-Prozesses dar und kommt meist zur Kleinserien-Produktion von Bauteilen wie beispielsweise Halbleitern zum Einsatz. Während der Standard-EBL-Prozess mehr als 10 einzelne Schritte benötigt, arbeitet die iEBL-Methode mit knapp der Hälfte.

Im Rahmen der neuen Methode der Zhejiang Universität kommt nun anstelle eines Photoresist-Materials Eiswasser zum Einsatz. Dies bedeutet, dass jede Schicht des Metallfilms vorher mit Eis beschichtet wird. In weiterer Folge wird die gewünschte Form oder das Muster mit einem Elektronenstrahl aus dem Eis herausgeschnitten.

Durch diese neue Methode ist es dem Forscherteam nun gelungen, die Herstellungszeit eines Nanopyramind im Gegensatz zur Standard-EBL-Methode um 20 Minuten zu verkürzen. Weiters spart dieses neue Verfahren Zeit beim Ausrichten der neuen Schichten. Der größte Vorteil von iEBL gegenüber anderen Nano-3D-Drucktechnologien liegt in der erreichbaren Auflösung.

In einer Studie mit dem Titel „Dreidimensionale In-situ-Elektronenstrahllithographie mit Wassereis“ wurden bereits erste Ergebnisse präsentiert. Die in dieser Studie genutzten Proben weisen unglaubliche Maße von nur 3 μm × 3 μm, 2 μm × 2 μm und 1 μm × 1 μm auf.

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„Insgesamt benötigt die iEBL-Technik viel weniger Verarbeitungsschritte und ist im Vergleich zu herkömmlichen EBL-Techniken für die 3D-Nanofabrikation nahezu kontaminationsfrei. Es zeigt großes Potential bei der Herstellung von komplizierten 3D-Nanodevices für fast alle Anwendungen, und die letzte verbliebene Grenze ist unsere Vorstellungskraft,” kommentieren die Forscher.

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