Nanodrähte aus Poren: wie Replikate von Nanostrukturen entstehen
Nanodrähte aus Poren entstehen in drei Schritten: Ein einzelnes Ion durchquert eine Polymerfolie und hinterlässt eine Spur mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern. Daraus entwickelt sich eine Pore, die anschließend als Form für ein Metall dient. Aus einer unsichtbaren Schädigung des Materials wird so durch Bestrahlung, Ätzen und galvanische Abscheidung ein Draht.
Woher kommen die Poren in der Folie?
Beim Durchqueren eines Festkörpers gibt ein Ion laufend Energie ab. Diese Abgabe pro Wegstrecke bezeichnet man als Energieverlust. Bei schnellen, schweren Ionen überwiegt die Wechselwirkung mit den Elektronen des Materials. Überschreitet der Energieverlust einen materialabhängigen Schwellenwert, entsteht eine Spur. 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. Da das Material entlang der Spur chemisch reaktiver ist, trägt eine Ätzlösung es schneller ab als das umgebende Material. So wird aus der Spur eine Pore.
Je nach Ätzmittel, Konzentration, Ätzdauer, Temperatur und Zusätzen kann die Pore zylindrisch, kegelförmig oder doppelkonisch werden. Dasselbe Polymer ergibt also unterschiedliche Poren, wenn die Ätzbedingungen verändert werden.
Das Schablonenverfahren: von den Poren zu den Drähten
Beim Schablonenverfahren dient die geätzte Membran als Form. Zunächst erhält eine Seite der Membran eine leitfähige Schicht. Anschließend wird in den Poren galvanisch ein Metall abgeschieden. Ausgehend von der leitfähigen Schicht füllt es die leeren Kanäle. Nach dem Auflösen des Polymers bleiben allein die Metallstrukturen übrig: Drähte, Röhrchen oder Kegel. Dabei entspricht die Form des entstandenen Objekts der Form der Pore.
Man spricht deshalb von Replikaten von Nanostrukturen: Das Metall bildet das Innere der Schablone ab. Aus einer zylindrischen Pore entsteht ein Draht, aus einer kegelförmigen Pore ein Kegel. Genau darauf beruht das Schablonenverfahren: Die Membran ist die Vorlage, das Metall ihr Abbild.
Warum sind Nanodrähte aus Poren regelmäßig?
Die Poren einer Folie haben einen ähnlichen Durchmesser, weil jede Spur durch denselben physikalischen Vorgang entstanden ist. Jedes Ion verliert seine Energie nach denselben Gesetzen und im selben Material. Zudem gelten für die gesamte Membran die gleichen Ätzbedingungen. Deshalb gleichen sich die Nanodrähte aus den Poren einer Folie.
Diese Regelmäßigkeit ergibt sich aus dem physikalischen Ablauf und entsteht nicht zufällig. Sie ist einer der Gründe, weshalb sich Replikate von Nanostrukturen aus einer Membran als Satz mit ähnlichen Abmessungen betrachten lassen.
Wozu untersucht man Poren und Nanodrähte?
Für die in Membranen geätzten Poren gibt es mehrere Anwendungen. Dazu gehören die Filtration und die Sensorik mit einzelnen Nanoporen. Außerdem dienen sie als Detektoren für Teilchenspuren. In der Geologie nutzt man Spaltspuren in Mineralen.
Eine eigene Gruppe bilden Schablonen für Nanostrukturen. Mit ihnen entstehen Drähte, Röhrchen und Kegel mit vorgegebener Form. Das wichtigste Werkzeug dafür ist das Schablonenverfahren. Dieselbe Art von Schablone lässt sich für verschiedene Replikate verwenden, wenn die Bedingungen bei der Bestrahlung und beim Ätzen verändert werden.
Zusammengefasst bilden Nanodrähte aus Poren die Spuren ab, die Ionen im Material hinterlassen haben. Sie entstehen aus regelmäßigen Schablonen, deren Regelmäßigkeit unmittelbar aus der Physik des Prozesses folgt.