Ätzen von Ionenspuren: wie aus einer Spur eine Pore wird
Beim Ätzen von Ionenspuren wird aus einer unsichtbaren Schädigung des Materials eine offene Pore. Die Bestrahlung mit Ionen allein erzeugt noch keine Folie mit Löchern. Zunächst entsteht lediglich eine Spur, also ein schmaler Bereich mit veränderten Eigenschaften. Erst die chemische Ätzung entscheidet darüber, ob und welche Öffnung daraus entsteht. Im Folgenden wird erklärt, wie dieser Prozess abläuft, wovon die Porenform abhängt und warum sich die Poren einer Folie so ähnlich sind.
Woher stammt die Spur im Material?
Ein Ion, das einen Festkörper durchquert, verliert kontinuierlich Energie pro Wegstrecke. Diese Größe wird als Energieverlust bezeichnet. Bei schnellen, schweren Ionen überwiegt die Wechselwirkung mit den Elektronen des Materials. Überschreitet der Energieverlust einen materialabhängigen Schwellenwert, entsteht eine Spur.
Eine solche Spur hat einen Durchmesser von wenigen Nanometern. Ihre Länge hängt von der Energie des Ions und vom Material ab. Am besten untersucht sind Polymerfolien, einige Gläser, Glimmer und wenige Kristalle. Die Bestrahlung erfolgt mit Teilchenbeschleunigern. Über die Bestrahlungszeit und den Strahlstrom lässt sich die Dichte der Spuren einstellen. Damit steht bereits in diesem Schritt fest, wie viele Poren die fertige Membran haben wird.
Wie funktioniert das Ätzen von Ionenspuren?
Entlang der Spur ist das Material chemisch reaktiver als in seiner Umgebung. Eine Ätzlösung trägt es deshalb schneller ab, sodass aus der schmalen Spur ein Kanal entsteht. Dieser weitet sich mit der Zeit auf, weil das Ätzmittel auch auf die Wände wirkt, wenn auch langsamer als entlang der Spurachse. So wird aus der Spur eine Pore.
Entscheidend ist, dass sich die Abtragsgeschwindigkeiten entlang der Spur und außerhalb davon unterscheiden. Wären sie gleich, entstünde kein deutlicher Kanal. Stattdessen würde die Folie auf ihrer gesamten Fläche gleichmäßig abgetragen.
Was bestimmt die Form der Poren?
Poren können zylindrisch, kegelförmig oder doppelkonisch sein. Ihre Form hängt von der Art und Konzentration des Ätzmittels, der Temperatur, der Ätzdauer und den Zusätzen in der Lösung ab. Wird einer dieser Parameter verändert, verschiebt sich das Ergebnis in Richtung eines anderen Porenprofils. Eine längere Ätzdauer führt in der Regel zu einem breiteren Kanal. Ob dieser zylindrisch oder kegelförmig wird, bestimmen die übrigen Bedingungen. Die konkreten Werte für Konzentration und Temperatur hängen vom Material ab, weshalb jedes Material eigene Ätzbedingungen benötigt.
Warum sind die Poren einander so ähnlich?
Die Poren einer Folie haben ähnliche Durchmesser, weil jede Spur durch denselben physikalischen Vorgang entstanden ist. Da jedes Ion seine Energie nach denselben Regeln verliert, gleichen sich die Spuren. Unter gleichen Ätzbedingungen entsteht so eine homogene poröse Membran, deren Poren sich nur wenig voneinander unterscheiden.
Wofür dienen solche Membranen?
Die Anwendungen reichen von der Filtration über die Sensorik mit einzelnen Nanoporen und Detektoren für Teilchenspuren bis zur Geologie, in der Spaltspuren in Mineralen untersucht werden. Darüber hinaus dienen Membranen als Schablonen für Nanostrukturen.
Beim Schablonenverfahren wird eine Seite der Membran mit einer leitfähigen Schicht überzogen. Anschließend wird in den Poren galvanisch ein Metall abgeschieden. Nach dem Auflösen des Polymers bleiben Drähte, Röhrchen oder Kegel zurück, deren Form derjenigen der Poren entspricht. Die Ätzparameter beeinflussen daher nicht nur die Membran selbst, sondern auch die Struktur, die sich in ihr abformen lässt.
Das Ätzen von Ionenspuren verbindet somit zwei Schritte: die physikalische Entstehung der Spur und die chemische Herstellung der Pore aus dieser Spur. Der erste Schritt legt die Zahl der Öffnungen fest, der zweite verleiht ihnen ihre endgültige Form.