Nanotechnologien für die optische Industrie

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1 Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Nanotechnologien für die optische Industrie Grundlage für zukünftige Innovationen in Hessen Hessen Nanotech

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3 Nanotechnologien für die optische Industrie Grundlage für zukünftige Innovationen in Hessen Band 5 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech

4 Impressum Nanotechnologien für die optische Industrie Grundlage für zukünftige Innovationen in Hessen Band 5 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Erstellt von: Dipl.-Phys. André Noack Optence e. V. Ober-Saulheimer-Straße Wörrstadt Telefon Telefax Redaktion: Dr. Rainer Waldschmidt (Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung) Alexander Bracht, Markus Lämmer (Hessen Agentur, hessen-nanotech) Dr. Gernot Horst (TTN / IHK Mittelhessen) Quelle: Viaoptic Herausgeber: HA Hessen Agentur GmbH Abraham-Lincoln-Straße Wiesbaden Telefon Telefax Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollständigkeit der Angaben. Die in der Veröffentlichung geäußerten Ansichten und Meinungen müssen nicht mit der Meinung des Herausgebers übereinstimmen. Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Referat Öffentlichkeitsarbeit Kaiser-Friedrich-Ring Wiesbaden Vervielfältigung und Nachdruck auch auszugsweise nur nach vorheriger schriftlicher Genehmigung. Gestaltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden Druck: Werbedruck Schreckhase, Spangenberg Juni 2007 Abbildung Titel: The Joannopoulos Research Group at MIT Boston Kleine Bilder (v.l.n.r.): Leica Microsystems; Centrosolar Glas; Viaoptic

5 Inhalt Nanotechnologie für die optische Industrie Chance für Hessen... 2 Dr. Alois Rhiel Grußwort... 4 Helmut Hund Warum diese Unternehmerbroschüre?... 5 Die unendlichen Weiten der Nanowelt Einleitung Bedeutung der Optik und Nanotechnologien für Hessen Was sind Nanotechnologien? Licht im Nanokosmos Streuung Herstellung nanostrukturierter Oberflächen Anwendungen nanostrukturierter Oberflächen Nanoschichten auf Oberflächen Nanomaterialien / Nanokomposite Photonische Kristalle LEDs und OLEDs Vision und Ausblick Anhang Glossar Netzwerke in Hessen Hochschulpartner in Hessen Internetquellen

6 Nanotechnologie für die optische Industrie Chance für Hessen Dr. Alois Rhiel Hessischer Minister für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Die optische Industrie in Hessen hat seit Carl Kellner, Moritz Hensold oder Ernst Leitz eine lange und sehr erfolgreiche Tradition. Hessenweit haben im Jahr 2006 rund hoch qualifizierte Mitarbeiter einen Umsatz von knapp 5 Milliarden Euro erwirtschaftet. Damit gehört die optische Industrie zu den Schlüsselbranchen der hessischen Wirtschaft. Die Herausforderungen an die regionale Wirtschaft haben sich jedoch in den letzten Jahrzehnten durch neue Technologien und die Globalisierung des Marktes dramatisch gewandelt. Um den stetig steigenden Anforderungen in einer viel versprechenden globalen Zukunft gewachsen zu sein, müssen Tradition und Erfahrung ergänzt werden durch Innovation und Mut zu neuen Ideen. Neue Geschäftsfelder müssen rechtzeitig erkannt und im harten internationalen Wettbewerb zügig und konsequent besetzt werden. Studien des VDI stufen die Nanotechnologien und die optischen Technologien als wichtigste Zukunftsfelder für die deutsche Industrie und als die Jobmotoren der Zukunft ein mit weit überdurchschnittlichen Wachstums- und Exportchancen. Was liegt also näher, als beide Technologien zusammenzuführen, Erfolg versprechende Schnittmengen herauszuarbeiten und innovative Synergien in wettbewerbsfähigen Produkten erfolgreich zu vermarkten? Denn trotz atemberaubender Umsatzprognosen für die Nanotechnologie bis 2015 soll der Umsatz auf mehrere tausend Milliarden Dollar weltweit steigen hat sie ihre Potenziale noch lange nicht ausgeschöpft und viele kommerzielle Produktanwendungen müssen erst noch realisiert werden. In der Optik haben Nanotechnologien aus Hessen bereits an einigen Stellen Einzug in unser Leben gehalten: von der Anti-Kratzbeschichtung der Brillengläser über Hightech-Laser bis zu Flüssigkristallen in Flachbildschirmen kommen wir täglich mit ihnen in Berührung. In Zukunft werden diese Technologien im Nanomaßstab nach Expertenmeinung unser Leben ähnlich grundlegend verändern wie das Auto oder die Computertechnologie. Dies gilt insbesondere auch im Bereich optischer Technologien: Fensterscheiben, die sich bei Sonnenlicht automatisch im gewünschten Farbton verdunkeln, sich selbst reinigen, Sonnenenergie effektiv in Strom umwandeln oder sich bei Bedarf in Bildschirme oder Beleuchtungselemente verwandeln. Das ist keine Science Fiction, sondern Nano-Optik von Morgen. 2

7 Die vorliegende Studie will bestehende Anwendungen der Nanotechnologien in der Optik erläutern und zukünftige Anwendungspotenziale aufzeigen. Ich hoffe, dass hessische Unternehmen die einmaligen Chancen dieser neuen Technologien für sich erkennen und dadurch dringend notwendige Innovationsprozesse angestoßen werden. Nur so können wir unsere Position als führender Hochtechnologie-Standort im Bereich innovativer Optik stärken und damit langfristig Wohlstand und High-Tech-Arbeitsplätze gerade auch in strukturschwachen Regionen unseres Landes sichern und ausbauen. Dr. Alois Rhiel Hessischer Minister für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung 3

8 Grußwort Helmut Hund Nanotechnologiebeauftragter des Landes Hessen Als Unternehmer aus dem Bereich der optischen, feinmechanischen und elektronischen Industrie ist mir der Nanometer-Maßstab nicht fremd. Gerade in der Optik wird seit Jahrzehnten die Qualität optischer Flächen bereits mit interferometrischen Methoden bestimmt. Auch die Beschichtungen optischer Flächen zum Zwecke der Reflektion oder Reflektionsminderung oder zur wellenlängenabhängigen Filterung des Lichts werden in Nanometer-Dicke aufgetragen. Insoweit ist für die Unternehmen, die sich in diesem Technologiefeld bewegen, die Nanotechnologie nichts Neues. Aber durch immer präzisere Mess- und Prüfverfahren und durch immer komplexeren Aufbau der Schichten erlangt diese Technologie eine andere Qualität. Auch die Nearfield- und Scanning- Messverfahren dringen heute zu immer kleineren Skalierungen vor. Auflösungen im atomaren Strukturbereich sind zu Standardverfahren aufgestiegen. Allerdings werden mit abnehmender Strukturbreite die Verfahren und Messinstrumente exponentiell teurer, sichern uns andererseits aber den technologischen Fortschritt gegenüber Schwellenländern des fernen Ostens. Im Produktionsbereich befinden wir uns bei der Molekül- und Atom-Manipulation noch im Manufaktur-Stadium, großtechnische Anwendungen sind bis auf die Beschichtungstechnik und Mikrostrukturtechnik noch nicht etabliert. Die Optik der Zukunft wird eher die aus der Halbleitertechnik stammenden Bearbeitungsverfahren anwenden als die Schleif- und Polierverfahren der Gegenwart. Zukünftige Materialien werden, neben Glas und Quarz, sicher auch organische und polykristalline Werkstoffe sein. Diese Herausforderung anzunehmen und der Unterstützung des Landes Hessen in dieser Technologie sicher zu sein, macht den Eintritt in diese Technologien und den technischen Fortschritt kalkulierbar, so dass auch mittelständische Unternehmen dieses technologische Neuland betreten können. Helmut Hund Nanotechnologiebeauftragter des Landes Hessen 4

9 Warum diese Unternehmerbroschüre? Die Methoden, Verfahren und Produkte der Nanotechnologie beeinflussen bereits heute etablierte Technologiezweige und werden in Zukunft an Einfluss gewinnen. Die optische Industrie in Hessen ist eine traditionelle, aber auch moderne Industrie mit 150-jähriger Geschichte. Auch die Photonik zählt zu den Zukunfts- und Schlüsseltechnologien. Was liegt also näher, als beide Disziplinen zusammenzuführen und ihre Stärken zu kombinieren? Vieles ist bereits heute verfügbar, anderes wird erst in naher oder ferner Zukunft verfügbar werden. Wir haben versucht, mit dieser Broschüre beide Aspekte aufzuzeigen. Die Nanotechnologie wandelt sich von der Fiktion zur Realität. Entdecken Sie, was heute schon möglich ist und was möglich werden kann! Werden Sie neugierig auf Nanotechnologie und finden Sie heraus, wie sehr Nanotechnologie für Sie von Relevanz ist! Die vorliegende Broschüre kann von der Thematik nur einen ersten Überblick bieten, zusätzliche Informationen und kompetente Ansprechpartner finden Sie beispielsweise im Photonik Zentrum Hessen in Wetzlar oder bei Optence, dem regionalen Kompetenznetz für Optische Technologien in Hessen und Rheinland-Pfalz. Weitere Ansprechpartner sind im Anhang der Broschüre aufgeführt. Nanotechnology Science Fiction Hype Science Project (Quelle: Scientifica Ltd.) 5

10 Die unendlichen Weiten der Nanowelt Bild 1: Zitat aus There s Plenty of Room at the Bottom an Invitation to Enter a New Field of Physics Dieses Bild wurde mittels der Dip-Pen Nanolithografie geschrieben und mit einem Atomkraftmikroskop ausgelesen, die Linienbreite beträgt 60 nm. (Quelle: Mirkin Group, Northwestern University, basics.htm) Richard P. Feynman (Quelle: The Nobel Foundation) Bereits 1960 stellte Richard Feynman beim Jahrestreffen der American Physical Society fest, dass der Platz in der Nanowelt (things on a small scale) fast unendlich ist: There s plenty of room at the bottom (da ist sehr viel Platz am unteren Ende). Er verdeutlichte dies an folgendem Beispiel: Durch konsequente Miniaturisierung in die Nanowelt ist es möglich, sämtliche Literatur (im Jahr 1960 waren dies 24 Millionen Bücher) in ein Volumen kleiner als ein Stecknadelkopf zu speichern. Digitalisiert man alle Buchstaben dieser Bücher (d. h. man stellt sie in einer Abfolge aus 1 und 0 dar, siehe Bild 2), so erhält man ungefähr bit an Informationen. Um sicherzugehen, nahm Feynman an, dass man 100 Atome für 1 bit an Informationen benötigt. Wenn man also die entsprechenden Schreib- und Lesegeräte auf atomarer Ebene hätte, so könnte man mit Atomen alle Bücher speichern. Diese Zahl an Atomen hätte Platz in einem Staubkorn mit 3 µm Durchmesser (solch ein Staubkorn ist mit bloßem Auge fast nicht mehr sichtbar!). Im Vergleich zur Natur ist aber auch das noch fast verschwenderisch. Die Natur zeigt uns, wie sparsam man sein kann: In einem DNA-Molekül werden nur 50 Atome für 1 bit Informationen benötigt. Und in der DNA ist die gesamte Erbinformation des Menschen inklusive Bauanleitung und Lebensdauer gespeichert! Leider standen Feynman damals noch nicht die Werkzeuge zur Verfügung, die wir heute besitzen (Kapitel 1.2). Diese wurden erst in den vergangenen 10 Jahren entwickelt und bieten erst jetzt die Möglichkeit, den Nanokosmos zu beeinflussen. Bild 2: Digitalisierte Daten liegen in einer Abfolge von 0 und 1 vor mit Hilfe der Nanotechnologien wäre es theoretisch möglich, die gesamte Weltliteratur digitalisiert in einem Volumen der Größe eines Staubkorns zu speichern. 6

11 1 Einleitung 1.1 Bedeutung der Optik und Nanotechnologien für Hessen Optische Technologien gehören zu den Zukunftstechnologien. Als Querschnittstechnologien prägen sie den technologischen Fortschritt in einer Vielzahl von Branchen. Daher wird das 21. Jahrhundert auch das Jahrhundert des Photons genannt. Allein in Deutschland erwirtschafteten Mitarbeiter in knapp Betrieben der Optikbranche 1 einen Umsatz von rund 39,6 Mrd. Euro. Jährlich werden etwa 9 % des Umsatzes für Forschung und Entwicklung aufgewendet (Quelle: Spectaris, alle Angaben für 2005). Bild 3: Leica DUV Air Technology Mikroskopobjektiv (Quelle: Leica Microsystems / Vistec Semiconductor Systems) In Hessen finden sich ca. 160 Unternehmen, die direkt in der oder für die optische Industrie tätig sind: Vom Rohstoffhersteller (z. B. Merck weltweit führender Flüssigkristallhersteller) bis zum Systembauer (wie beispielsweise Leica Microsystems in Wetzlar). Allein in der Region Mittelhessen gibt es seit über 150 Jahren Optische Technologien, heute arbeiten 73 Unternehmen in einer Branche, deren Produkte und Innovationen Weltruf genießen. Neben fünf größeren Unternehmen (Leica Microsystems, Leica Camera, Hensoldt, Pfeiffer Vakuum und Vistec Semiconductor Systems) finden sich vor allem mittelständische Unternehmen in der Region. Ein Beispiel für die Innovationskraft der Wetzlarer Optikunternehmen ist das Deep UV (DUV) Mikroskopobjektiv der Firma Leica Microsystems, welches den Innovationspreis der deutschen Wirtschaft gewann. Es kommt weltweit als erstes UV-Objektiv ohne eine Verkittung der Gläser aus (Bild 3 und Bild 4). Diese Innovation erfordert ein Höchstmaß an mechanischer Präzision und ermöglicht eine deutlich erhöhte Lebensdauer des Objektivs. 1 Zur Optikbranche zählen die Augenoptik, Laserund Labortechnik, Feinmechanik, Mess- und Automatisierungstechnik, Medizintechnik sowie die Fototechnik. Bild 4: Rechts: Durch Belichtung mit DUV-Licht von 248nm verbessert sich das Auflösungsvermögen in beeindruckender Weise. (4MB DRAM Speicherstrukturen, Quelle: Leica Microsystems, Objektiv Plan Apo 150x/0.90) 7

12 Bild 5: Nanotechnik in der Optik: Mit dem neu entwickelten UV-Laser der Firma Omicron Laserage, Rodgau, ist es erstmals möglich, Master für die Blu-Ray- Disk 2 -Produktion direkt zu strukturieren, die Strukturen im Bild rechts unten haben einen Abstand (track pitch) von 320 nm. (Quelle: Omicron Laserage Laserprodukte) 2 Die Blu-Ray-Disk ist der Nachfolger der DVD: Bei einem Durchmesser von 12 cm fasst eine Scheibe mit einer Lage bis zu 27 GB und mit zwei Lagen bis zu 54 GB an Daten. Hessenweit hat die Optik-Branche mit Mitarbeitern ca. 5 Mrd. Euro in 2005 erwirtschaftet. Allein mit der Flüssigkristallproduktion hat Merck in Mio. Euro umgesetzt; in 2006 waren es 892 Mio. Euro. Damit ist Merck weltweit Technologie- und Marktführer bei Flüssigkristallen für LCDs den Liquid Crystal Displays die noch über Jahre die dominierende Anzeigetechnik für Flachbildschirme bleiben werden. Merck ist aber auch in der Nanotechnologie sehr stark engagiert: Nanoskalige Beschichtungslösungen (Sol-Gel-Verfahren) oder organische Leuchtdioden (OLEDs) sind Zukunftsthemen, die das Unternehmen an seinen Standorten in Hessen bearbeitet. Wirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologien Deutschland hat bereits frühzeitig die Bedeutung der Nanotechnologien entdeckt. Seit den späten 80er Jahren wurden Nanotechnologien im Rahmen der Materialforschung und der physikalischen Technologien gefördert. Von 1998 bis 2004 wurden jährlich 200 Mio. Euro in verschiedene Nanotechnologie-Verbundprojekte investiert begann man mit der Installation von sechs Nanotechnologienetzwerken, in denen potenzielle Nutzer und Anbieter von Nanotechnologien zusammenkommen. In nahezu jeder deutschen Universität finden sich Gruppen, die an Nanotechnologiethemen arbeiten. Gleichzeitig werden interdisziplinäre Verbindungen geschaffen: Nanotechnologien sind ein fachübergreifendes Thema geworden. Auch die öffentlichen Forschungseinrichtungen MPG (Max Planck Gesellschaft), FhG (Fraunhofer Gesellschaft), HGF (Helmholtz Gesellschaft) und WGL (Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz) arbeiten auf dem Gebiet der Nanotechnologien zusammen. Bild 6: Hessische Unternehmen, Hochschulen und Netzwerke in den Nanotechnologien und den angrenzenden Bereichen der Material- und Oberflächentechnologie, Mikrotechnologie und Optischen Technologie. 8

13 Weltweite Investitionen in die Nanoforschung und -entwicklung nach Regionen und Sektoren*, 2005 Gesamt: 9,57 Mrd. US$ Weltweite Umsätze mit Nanoprodukten bis zum Jahr 2014* 3000 Nach Regionen 2500 USA 3,96 3,37 Asien 2000 Übrige Welt 0,18 2,06 Europa 1500 Bild 7: Investitionen in die Nanotechnik nach Regionen Nach Sektoren 1000 und Sektoren und eine Prognose für die welt- Elektronik 4,46 2,74 Material 500 weiten Umsätze mit Nanoprodukten (Quelle: LUX Research) 0,78 Andere 1,59 Biotechnik/ Medizin * in Mrd US$; Quelle Lux Research * in Milliarden US$ Mit rund 70 Nanotechnologie-Hochschularbeitsgruppen und 100 Unternehmen, die Nanotechnologien entwickeln oder anbieten, zählt Hessen zu den führenden Nanotech-Standorten (Bild 6). Viele weitere hessische Unternehmen nutzen bereits die Möglichkeiten der Nanotechnologien für ihre Produkte oder Fertigungsprozesse. Diese Unternehmen sind größtenteils in Südhessen angesiedelt, vor allem im Rhein-Main-Gebiet. Dabei handelt es sich teilweise um Großunternehmen, bei denen die Nanotechnologien freilich nur einen Bruchteil des Gesamtgeschäfts ausmachen. Die zweite Gruppe der Nanotechnologieunternehmen sind eher kleine Unternehmen mit Fokus auf diese Technologie. Dazu gehören auch Start-Ups, die häufig Ausgründungen aus Universitäten sind und aktuelle Forschungsergebnisse vermarkten (wie z. B. Sustech Darmstadt oder NanoRepro). Darüber hinaus finden sich Unternehmen, die sich auf die Produktion von Nanomaterialien, der Nanostrukturierung oder -analyse spezialisiert haben (wie beispielsweise Carl Zeiss SMT). Die vierte Ausgabe des Lux-Nanotechreports 3 prognostiziert eine stetig ansteigende Wachstumsgeschwindigkeit bei der Kommerzialisierung von Nanoprodukten. Wurden im Jahr 2005 noch 32 Mrd. US$ mit Produkten erwirtschaftet, die einen Bezug zu Nanotechnologien haben, wird für das Jahr 2014 ein weltweiter Umsatz mit Nanoprodukten von Mrd. US$ prognostiziert: Dies bedeutet, dass dann 15 % aller weltweit gefertigten Produkte Nanotechnologien beinhalten (Bild 7). Im Jahr 2005 wurden global 9,6 Mrd. US$ in die Nanotech- Forschung investiert, die Zahl der Veröffentlichungen stieg um 40 % auf Wie hoch der potenzielle Marktanteil für hessische Unternehmen sein wird, lässt sich nur schwer abschätzen. Traditionell sind hessische Unternehmen vor allem in der Chemie und Materialentwicklung führend. Nach einer vom BMBF 4 finanzierten Studie zum wirtschaftlichen Potenzial der Nanotechnologie 5 messen die Unternehmen den Nanotechnologien eine hohe Bedeutung bei. Über 75 % sehen die Chance, mit den Nanotechnologien neue Märkte zu erschließen. 60 % sehen in den Nanotechnologien eine Möglichkeit, ihre technologische Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. 3 Lux Research, NY, Mai BMBF: Bundesministerium für Bildung und Forschung 5 W. Luther et al. Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt,

14 6 STM Scanning Tunneling Microscopy 7 AFM Atomic Force Microscopy Bild 8: Eine Aufnahme von 1986 zeigt Heinrich Rohrer (links) und Gerd Binnig vor ihrem Rastertunnelmikroskop. 1.2 Was sind Nanotechnologien? Bereits im Jahre 1959 präsentierte der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman theoretische Konzepte zur Manipulation von Atomen und Molekülen. Für erste Ansätze zur Fabrikation im Nanobereich standen zum damaligen Zeitpunkt noch keine Werkzeuge zur kontrollierten Nutzung der atomaren Welt zur Verfügung. Der experimentelle Zugang zu diesen Dimensionen gelang erstmals mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops 1981 durch Rohrer und Binning (STM 6 Bild 8) und nachfolgend mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM 7 ) sowie darauf aufbauende Raster-Sonden-Verfahren, die sich nicht nur als Analyseinstrumente, sondern auch als Strukturierungswerkzeuge einsetzen lassen. Dieser ganzheitliche Ansatz für die Nanotechnologien der Aufbau nanoskopischer Strukturen und molekularer Maschinen durch die Manipulation mit reaktiven molekularen Fragmenten führte zunächst zu einer synonymen Verwendung der Begriffe Nanotechnologien und Molekulartechnologien. Eric K. Drexler, der ehemalige Leiter des Institute for Molecular Manufacturing in Palo Alto, USA, unterschied die Nanotechnologien von der Mikrostrukturtechnik insofern, als letztere die systematische Miniaturisierung existierender Komponenten und Systeme verfolgt, während die Nanotechnologien den Aufbau großer und komplexer Strukturen aus allerkleinsten Elementen anstreben. Für den Aufbau komplexer Strukturen aus kleinsten Elementen ist die Natur Vorbild: In der Zellbiologie finden sich unzählige Beispiele für raffinierte nanoskopische Maschinen wie die Muskeln, die effizient chemische in mechanische Energie umsetzen können, Ionenkanäle und Ionenpumpen zur Steuerung des molekularen Flusses durch Membranen oder auch die Ribosomen, die Molekül für Molekül große Proteine aufbauen exakt nach DNA-Bauplan. Es ist allerdings so, dass auf der Nanoskala völlig andere physikalische Gesetzmäßigkeiten wirksam sind. Die einfache Vorstellung, Baupläne makroskopischer Maschinen nur genug herunterskalieren zu müssen, um nanoskopische Maschinen zu erhalten, stimmt nicht. Einflussgrößen wie die Reynoldszahl, die Brown sche Molekularbewegung und die Existenz starker Oberflächenkräfte machen das Design nanoskopischer Systeme zu einer großen Herausforderung, die bisher nur von Mutter Natur in großem Umfang zufriedenstellend gemeistert worden ist. Bild 9: Lithografisch hergestellte Stufe in Silizium die Punkte repräsentieren einzelne Atome (Quelle: quarks und co) 10

15 Bild 10: Ein Blick in die Zukunft: Mittels Simulationssoftware wurden zwei ineinander geschlossene Diamantringe erzeugt, die zwei Carbon-Nano-Röhrchen (blau und rot) umschließen mit Hilfe der Van-der-Waals-Kräfte kann der Durchmesser der Röhrchen beeinflusst und als Nanoventil genutzt werden. (Quelle: Damian Gregory Allis, Bild 11: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Carbon-Nano-Tube (CNT) (Quelle: TU Berlin) Nanotechnologien heute Die momentan eingesetzten Nanotechnologien basieren auf den heute verfügbaren Verfahren und Methoden. In Analogie zu den mittels Lithografieund Ätzverfahren hergestellten mikroelektromechanischen Strukturen (MEMS) werden zunehmend nanoelektromechanische Strukturen (NEMS) realisiert. Die Entwicklung neuer UV-Lichtquellen und Phase-Shift-Masken erlaubt heute schon lithografisch erzeugte Strukturen im Bereich von unter 100 Nanometern. Aber die Forschung geht noch weiter: man sucht nach reellen nanoskopischen Bausteinen und Systemen mit spezifischen Funktionalitäten. Solche Bausteine können in der Lage sein, sensorisch zu arbeiten, Informationen zu verarbeiten oder Energieumwandlung zu betreiben. Ein Beispiel sind Nanoventile (Bild 10) oder nanoskopische Sensoren zur Überwachung der riesigen Oberflächen in Kohlenstoff-Nanoröhren (Bild 11). Auch Halbleiter-Nanostrukturen wie beispielsweise Quantum Dots oder Quantum Wells in neuartigen Halbleiter-Lasern oder verkapselte Wirkstoffmoleküle zur gezielten Medikamentation tragen dazu bei, dass die Aufmerksamkeit von Wissenschaft, Industrie und Öffentlichkeit immer stärker auf die Nanotechnologien gelenkt wird nutzte Norio Taniguchi, ein Ingenieur an der Universität Tokio, erstmals den Begriff Nanotechnologien in einem Fachaufsatz über die Bearbeitung von Werkstoffen auf atomarer Basis. Erst 20 Jahre später wurde der Begriff wiederentdeckt und beschreibt heute eine der Zukunftstechnologien des 21. Jahrhunderts. Wie groß ist ein Nano? Die Einheit Nanometer (nm) entspricht einem milliardstel Meter (10 9 m als Potenz geschrieben) und stammt vom griechischen Wort nanos für Zwerg. Molekulare Strukturen werden in nm gemessen, der Durchmesser von Fullerenen (Buckyballmoleküle) beträgt etwa 1 nm, von Kohlenstoffatomen (C) 0,15 nm und von Wasserstoffatomen (H) nur etwa 0,075 nm. 11

16 Produkte und Märkte der Nanotechnologien Es ist wichtig festzustellen, dass es den Markt für Nanomaterialien und Nanosysteme noch nicht gibt. So gibt es bei den Nanomaterialien bereits erste konkrete Produktbeispiele Nanopartikel wie Titanoxid in Kosmetika und Sonnenschutzmitteln, Brennstoffzellen mit Elektroden aus Carbon-Nano-Tubes (Kohlenstoff-Nano-Röhren). Auch in der Optik sind bereits eine Reihe von Anwendungen kommerzialisiert, wie beispielsweise funktionale Schichten, Diodenlaser oder OLEDs (pink markiert in Bild 12), aber viele Anwendungen stehen noch an der Schwelle zur Kommerzialisierung. Bautechnik Bild 12: Nanotechnologische Produkte: Vom ersten Konzept bis zum fertigen Produkt in allen Sparten (BMBF Nanoinitiative, Aktionsplan Nanotechnologie 2010, November 2006) Korrosionsschutzschichten Nanomembranen zur Trinkwassergewinnung Künstliche Photosynthese Optimierte Batterien/Akkus preiswerte großflächige Solarzellen Ressourcenschonende Produktion Verschleißschutz für mechanische Bauteile photokatalytische Luft- und Wasserreinigung durch Selbstorganisation Abgaskatalysatoren Sensorische Umweltüberwachung Mikrobrennstoffzellen Nanosensor-Netzwerke Schmutzabweisende Textilien Kleidung mit integrierter Unterhaltungselektronik Überwachung von Körperfunktionen Superisolierende Thermobekleidung Duftimprägnierte Kleidung Antibakterielle Wäsche Aktive Wärmeregulierung UV geschützte Fasern Aktive Bewegungsunterstützung ultraleichte Schutzwesten Carbon Black Nano-Schichtsilikate Kohlenstoffnanoröhren selbstheilende Werkstoffe Polymerdispersionen Dendrimere Ferrofluide Schaltbare Klebstoffe selbstorganisierende Werkstoffe Mikronisierte Wirkstoffe Aerogele Organische Halbleiter hocheffiziente Wasserstoffspeicher Nano-Kieselsäure Nanopigmente Quantenpunkte künstliche Spinnenseide Nanoreaktoren Easy-To-Clean-Schichten Polymere Nanokomposite Reifenfüllstoffe Magnetoelektronische Sensoren Dünnfilmsolarzellen für Autodächer schaltbare Lacke Nanobeschichtete Dieselinjektoren Nanokomposite als Leichtbauwerkstoffe adaptierbare Außenhaut Antibeschlagschichten Polymerverscheibungen Ferrofluid-Stoßdämpfer Antireflexschichten für Displays Nanopartikel als Kraftstoffzusatz Kratzfeste Lacke Optimierte Brennstoffzellen Thermoelektrische Abwärmenutzung Umwelt/ Energie Textil Chemie Selbstreinigende Fassadenelemente Schaltbare Glasfassaden Ultrastabile Leichtbauumweltverträgliche Brandschutzmittel OLED-Beleuchtung Konstruktionsstoffe Schmutzabweisende, hocheffizienter Wärme- und Schallschutz funktionsoptimierte Asphaltmischungen antibakterielle Wandfarben keramische Folien als Wandbelag korrosionsbeständiger Hochleistungsbeton Automobilbau Festplatten mit GMR-Lesekopf Phase-Change-Speicher Millipede-Speicher Spintronik DNA-Computing Siliziumelektronik < 100 nm Ferroelektrische Speicher Polymerelektronik z.b. für Funketiketten Magnetoelektronische Speicher Kohlenstoffnanoröhren-Feldemmissionsdisplays Molekularelektronik Elektronik weiße LED Optische Mikroskope mit Nanoauflösung Photonische Kristalle All-Optical-Computing Ultrapräzisionsoptiken EUV Lithographie-Optiken Kratzfeste Brillengläser Organische Leuchtdioden (OLED) Quantenkryptografie Nahfeldoptiken für die Nanoanalytik Quantenpunktlaser Optische Industrie Antimikrobielle Beschichtungen Nano-Krebstherapie (Hyperthermie) Neuro-Kopplung Molekulare Krebsfrüherkennung Biosensoren Nanopartikel als Markerstoffe biokompatible Implantate Tissue Engineering Nanoskalige Kontrastmittel Lab-on-a-chip-Systeme IntelligenteDrug Delivery-Systeme Medizin Nanopartikel zum Wirkstofftransport Theranostics Verbreitung am Markt Markteintritt Prototyp Konzept 0 5 Jahre 5 10 Jahre Jahre 12

17 2 Licht im Nanokosmos Die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen (des Lichts) mit Nanoteilchen führt zu spektakulären Effekten bei der Ausbreitung und Veränderung der elektromagnetischen Wellen. Um diese Effekte besser zu verstehen, soll kurz der Begriff der Lichtstreuung erläutert werden. Fällt Licht auf ein Hindernis, welches sehr viel größer als die Wellenlänge ist, so wird es umgelenkt, man spricht von Beugung des Lichtes. Wenn nun die Größe des Hindernisses im Bereich der Wellenlänge liegt, spricht man von Streuung. Je nach Größe der Teilchen gibt es unterschiedliche Streuphänomene. 2.1 Streuung Neben den Eigenschaften der Brechung von Licht in Material mit höherem optischen Brechungsindex, der Reflexion an glatten Oberflächen und der Beugung von kohärentem Licht gibt es den wichtigen Effekt der Lichtstreuung, der, wie die anderen Effekte, entscheidend von der Größe der mit der Strahlung wechselwirkenden Teilchen abhängt. Liegt die Größe der Teilchen im Bereich der Wellenlänge des Lichtes oder kurz darüber (0,5 10 µm), so kommt es nur zu einer leichten Ablenkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung an den einzelnen Teilchen. Resultierend ergibt sich eine gerichtete Streuung, bei der die meiste Strahlung nach vorn gestreut wird (Bild 13). Diese so genannte Mie- Streuung (1908 von Gustav Mie theoretisch formuliert) ist nur gering von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes abhängig und macht sich bei Effekten wie z. B. der Trübung eines Lichtstrahls beim Durchstrahlen einer Wasserlösung mit Verunreinigung bemerkbar. Bei größerem Durchmesser der Streuzentren steigt die Absorption. Ist die Teilchengröße der Streuzentren deutlich kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes (Molekülgröße im Bereich einiger Zehntel nm), ändert sich die Streucharakteristik drastisch. Einzelne Moleküle werden von der eingehenden Strahlung zum Schwingen angeregt und geben diese Energie ihrerseits wieder als elektromagnetische Strahlung ab. Im Gegensatz zur Mie-Streuung ist die Streuung an Molekülen isotrop, d. h. ungerichtet und ihre Intensität ist sehr stark abhängig von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts (1/λ 4 ). Diesem Effekt verdanken wir das Himmelsblau (Bild 14): Das kurzwellige blaue Licht wird viel stärker an den Luftmolekülen gestreut als die langwelligeren, roten Anteile. Diese Streuung untersuchte bereits Lord Rayleigh ( ); diesem verdankt sie auch ihren Namen Rayleigh-Streuung. Bild 13: 3D-Darstellung der Mie- Streuung von rotem Licht (633nm) an einem Partikel mit 2µm Durchmesser. Der Partikel befindet sich in der Mitte bei x=0 y=0 z=0, das Licht wird von links eingestrahlt. Die unterschiedliche Ausdehnung der Oberfläche entspricht der Intensität der Streuung in diese Richtung. Das meiste Licht wird nach vorn gestreut, die typischen Oszillationen des gestreuten Lichtes, die bei der Mie-Streuung durch Interferenz entstehen, sind gut zu erkennen. (Quelle: René Michels, ILM Uni Ulm) 13

18 Bild 14: Blauer Himmel (Rayleigh- Streuung an Luftmolekülen) und weiße Wolken (Reflexion und Mie-Streuung an Wassertropfen) Je kleiner die Streuteilchen werden, desto wichtiger wird ihre Geometrie, und es treten Quantisierungs- Effekte und somit Resonanzphänomene bei der Reflexion, Transmission und Streuung der optischen Strahlung auf. So nutzte man bereits im Mittelalter diese Eigenschaften von metallischen Nanoteilchen zur Färbung von Glas. Gold als Nanoteilchen mit einem Durchmesser von etwa 6 nm sieht rot aus, nicht mehr golden (siehe hierzu auch Kapitel 2.5.2). Eine aktuelle Anwendung der Streueigenschaften kleinster Partikel sind die in Cremes eingelagerten Nanoteilchen, die durch eine bestimmte wellenlängenabhängige Streucharakteristik als UV-Blocker in Sonnenmilch wirken. Leichtgewebte luftdurchlässige Stoffe, in deren Fasern Nanoteilchen eingebunden sind, lassen sich angenehm tragen und schützen dennoch effektiv vor der kurzwelligen UV- Strahlung (Bild 15). Bild 15: UV-Schutz durch Nanoteilchen (Quelle: BASF) Das Verhalten von sichtbarem Licht im Nanokosmos ist unter anderem abhängig von der Größe der Nanoteilchen. Es wird an Atomen und Molekülen (deutlich kleiner als 10 nm) und an Nanoteilchen, die größer als 80 nm sind, gestreut. An Nanoteilchen, deren Größe dazwischen liegt, wird das sichtbare Licht nicht gestreut. 14

19 2.2 Herstellung nanostrukturierter Oberflächen Die Anwendungen von technisch erzeugten Nanostrukturen auf Oberflächen sind vielfältig: Mit ihnen kann man Licht manipulieren, man kann es verteilen, abschwächen, filtern, reflektieren, absorbieren und umlenken. Im Laufe der Zeit haben sich einige Strukturierungsverfahren etabliert. Lithografieverfahren Die Größe der erzeugten Strukturen wird begrenzt durch die Lichtwellenlänge, mit der die Maske belichtet wird. Weit verbreitet sind Anwendungen von UV-Licht mit der Wellenlänge 365 nm und DUV- Licht (Deep-UV) von 248 bzw. 193 nm. Mit DUV-Licht der Wellenlänge 193 nm können heute Strukturen von 90 nm in Großserie produziert werden. Die Technologie der optischen Fotolithografie ist ein Standardverfahren zur Mikro- und Nanostrukturierung von Oberflächen (Bild 16). Dazu wird die Oberfläche zunächst mit einem Fotolack beschichtet, in den dann die Struktur, die sich auf einer Fotomaske befindet, belichtet wird. Handelt es sich um einen Positivlack, wird im anschließenden Entwicklungsprozess nur der Lack an den belichteten Stellen gelöst. Die freigelegte Oberfläche kann jetzt durch Beschichtungs- oder Ätzverfahren strukturiert werden. Durch wiederholtes Anwenden mit verschiedenen Masken lassen sich damit auch komplexe Schichtstrukturen aufbauen DRAM 1/2 Pitch 65nm 45nm 32nm 22nm 16nm 193 nm 193 nm immersion with water 2007 DRAM Half-pitch Flash Half-pitch Bild 16: Moderne Lithografieanlagen vermögen Strukturen kleiner 100 nm zu erzeugen. Man erkennt links die Waferzufuhr, rechts sind in blau die Strahlengänge (Belichtung und Beleuchtung) dargestellt. (Quelle: ASML) nm immersion with water 193 nm immersion with other fluids EUV, ML2 Narrow options 32 EUV 193 nm immersion with other fluids and lens material Innovative 193 nm immersion with water, Imprint, ML2 Narrow options 22 EUV Innovative 193 nm immersion Imprint, ML2, innovative technology Narrow options 16 Innovative technology Innovative EUV, imprint, ML2 Narrow options Research Required Development Underway Qualification/Pre-Production Continuous Improvement This legens indicates the time during which research, development, and qualification/pre-production should be taking place for the solution. Bild 17: Technologie-Roadmap für die Fotolithografie (Quelle: ITRS) 15

20 Bild 18: Diese Spinne wurde mittels Mikrostereolithografie gefertigt: (Quelle: Laserzentrum Hannover) Mit Hilfe der Immersionslithografie und optimierten Fotomasken können bei einer Lichtwellenlänge von 193 nm Auflösungen von 45 nm erreicht werden. Dabei wird zwischen Wafer und erster Objektivlinse eine Immersionsflüssigkeit eingebracht, welche den Brechungsindex zwischen Wafer und erster Objektivlinse gegenüber Luft (n=1) erhöht. Dadurch erhöht sich das Auflösungsvermögen des Systems und es können kleinere Linienbreiten realisiert werden. Setzt man statt Lichtquellen Röntgenquellen ein, so spricht man von der Röntgenlithografie. Als Röntgenlichtquelle kommt Synchrotronstrahlung zum Einsatz. Diese Strahlung entsteht bei Elektronenstrahlbeschleunigern: Dort werden die Elektronen auf eine Kreisbahn gezwungen und emittieren dabei Synchrotronstrahlung mit einer typischen Wellenlänge von 7 nm. Jedoch ist die benötigte Maskentechnik äußerst aufwändig, so dass es bisher kaum kommerziell genutzt wird. Der Trend in der optischen Lithografie zu kürzeren Wellenlängen und damit kleineren Strukturen wird mit der Entwicklung der EUV-Lithografie (Extrem Ultra-Violett) konsequent fortgeführt. Man rechnet damit, ab dem Jahr 2009 eine Wellenlänge von 13,5 nm nutzen zu können, mit der man Strukturbreiten kleiner 32 nm erzeugen kann. Allerdings sind hierfür noch erhebliche Entwicklungsleistungen nötig: Von den Plasmaquellen über die verwendeten Optiken bis hin zu den Fotolacken. Weltweit sind verschiedene Forschergruppen und Unternehmen mit den Entwicklungen beschäftigt (Bild 17). Setzt man statt Photonen Elektronen (negativ geladene Teilchen) ein, so können viele der technischen Probleme bei der hochauflösenden Lithografie besser beherrscht werden. Beispielsweise werden die in der optischen Lithografie verwendeten Fotomasken ausschließlich mit einem e-beam Writer (Elektronenstrahlschreiber) geschrieben: Die von einer Elektronenquelle emittierten Teilchen werden in elektromagnetischen und -statischen Feldern beschleunigt und fokussiert. Diese Verfahren sind zur Zeit die einzige Möglichkeit, die für die Fotolithografie benötigten Fotomasken mit extremer Genauigkeit zu erzeugen (heute liegen die erreichbaren Linienbreiten bei wenigen Nanometern). Alternativ können die Fotolacke direkt mit Laserlicht belichtet werden (Laserlithografie). Noch präziser geht es mit der so genannten Mikrostereolithografie (Bild 18), sie ist in der Lage, submikrometer Strukturen dreidimensional aufzubauen. Lasermaterialbearbeitung Mittlerweile sind Lasersysteme verfügbar, mit denen eine schonende Mikromaterialbearbeitung möglich ist. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Lasertypen zum Einsatz. UV-Laser (Wellenlänge des Lichts kleiner 300 nm) mit Nanosekundenpulsen liefern für viele Materialien befriedigende Ergebnisse. Dabei wird das Material entweder lokal aufgeschmolzen und anschließend verdampft oder der bestrahlte Bereich wird aufgrund innerer Spannungen abgesprengt. Der Abtrag kann auch materialselektiv erfolgen. Um hochpräzise Strukturen zu erreichen, kommen Ultrakurzpulslaser zum Einsatz. Die Pulsdauer liegt im Bereich von Piko- oder Femtosekunden (eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer tausendstel Sekunde 1*10 15 Sekunden). Aufgrund der sehr kurzen Pulse wirken im Material extrem hohe Lichtleistungen im Fokus des Lichts. Andererseits ist aufgrund der Kürze des Lichtpulses die thermische Belastung des Materials sehr gering und man kann Metalle und transparente Lichtleiter sehr präzise bearbeiten. Bereits heute sind Mikrometer-Genauigkeiten erreichbar, und es ist nur eine Frage der Zeit, bis auch hier die Nanoskala erreicht wird. 16

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