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Nanometrologie

PTB-Mitteilungen 2/2011

Nanometrologie in der PTB

Harald Bosse

In dieser Ausgabe der PTB-Mitteilungen wird ein Überblick über aktuelle Arbeiten der PTB mit Bezug zur „Nanotechnologie“ gegeben, die sich – dem Aufgabenspektrum der PTB gemäß – auf den Bereich der „Nanometrologie“ konzentrieren. Hierunter werden alle Aktivitäten zur rückgeführten messtechnischen Charakterisierung nanoskaliger Objekte und Strukturen verstanden, wobei als Bezug für die Messergebnisse das SI, das Internationale Einheitensystem, gilt. Ziel ist es, durch Entwicklung neuer Messmethoden sowie auch durch Anwendung etablierter Messverfahren zu vergleichbaren Messergebnissen an nanoskaligen Objekten und Strukturen innerhalb der für deren Anwendung geforderten Messunsicherheiten zu gelangen. Die Aktivitäten der PTB im Bereich der „Nanometrologie“ werden seit kurzem in einem Arbeitskreis gebündelt, in dem die Anforderungen an die Nanometrologie diskutiert und Kompetenzen gebündelt werden. Aufgrund der Komplexität der Aufgabenstellungen in der Nanometrologie, die oftmals Kompetenzen aus verschiedenen Fachrichtungen erfordern, wird deren Bearbeitung auch in Kooperation mit externen Instituten vorgenommen.

Messverfahren für Größe und Anzahl von Nanopartikeln

Anke Jordan-Gerkens, Egbert Buhr, Tobias Klein, Carl Georg Frase, Michael Krumrey, Thorsten Dziomba, Andreas Nowak, Volker Ebert

1 Einleitung
Nanopartikel sind definitionsgemäß Objekte, deren Ausdehnung in allen drei Dimensionen im Bereich zwischen 1 nm und 100 nm liegt [1]. Sie sind wichtige Komponenten für eine breite Palette von Produkten wie Pigmente, Katalysatoren, Sensoren, Pharmazeutika, Kosmetika, und vieles mehr. Ein wichtiger Teilbereich der Nanotechnologie besteht in der industriellen Herstellung und Anwendung von Nanopartikeln aus verschiedensten Materialien wie etwa Metallen, Metalloxiden, Siliziumdioxid oder auch Ruß. Zusätzlich werden kohlenstoffbasierte nanoskalige Materialien wie z. B. Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT) und Fullerene industriell hergestellt und angewandt, wobei sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften dieser Nano-Objekte gezielt genutzt werden.

Charakterisierung und Anwendung magnetischer Nanopartikel und -strukturen

Sibylle Sievers, Hans Werner Schumacher, Uwe Steinhoff, Lutz Trahm, Thomas Schurig

Werden magnetische Materialien in wenigstens einer Dimension nanostrukturiert, dann können neue Funktionalitäten und Eigenschaften entstehen, die stark von denen klassischer Magnete abweichen und die seit gut einem Jahrzehnt Gegenstand intensiver Forschung sind. Solche nanomagnetischen Materialien sind jedoch nicht nur physikalisch von grundlegendem Interesse. Ihre besonderen Eigenschaften qualifizieren sie als Schlüsselkomponenten zahlreicher existierender und zukünftiger Anwendungen, z. B. in den Bereichen Biomedizin (drug delivery, DNA detection/extraction, Krebstherapie, magnetic particle imaging) und in der Informationstechnologie (Festplatten, magnetische Speicherchips).

Ionisierende Strahlungswechselwirkung mit der DNS: Nanodosimetrie

Marion Bug, Gerhard Hilgers, Heidi Nettelbeck, Hans Rabus

1 Einleitung
Die Metrologie ionisierender Strahlung beruht konventionell auf Messgrößen, die als Mittelwerte über makroskopische Volumenelemente
definiert sind, wie zum Beispiel die Energiedosis als Verhältnis der im Mittel von der Strahlung in einem spezifischen Absorber  abgegebenen Energie bezogen auf dessen Masse. Für die biologischen oder medizinischen Auswirkungen von Strahlenexposition spielt jedoch die stochastische Natur der Strahlungswechselwirkung insbesondere mit der DNS als dem Träger der genetischen Information eine entscheidende Rolle. Um dem Rechnung zu tragen, wurde für die Belange der Strahlentherapie und der Risikobewertung im Strahlenschutz ein umfassendes System von Strahlungswichtungsfaktoren und Hilfsgrößen wie Strahlenqualität und relative biologische Wirksamkeit entwickelt.

Oberflächenverstärkte Ramanstreuung – Anwendung metallischer Nanostrukturen für die Metrologie in der Chemie

Rainer Stosch, Sabine Zakel, Fatemeh Yaghobian, Stefan Wundrack, Thomas Weimann, Bernd Güttler

Die optischen Eigenschaften nanoskaliger metallischer Strukturen werden bestimmt durch die kollektiven Schwingungen von  Leitungselektronen (Oberflächenplasmonen) unter dem Einfluss der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. Die Resonanzfrequenz nanometergroßer Partikel zahlreicher Metalle liegt im sichtbaren Wellenlängenbereich, was sich in den auffälligen Farben kolloidaler Dispersionen äußert. So wurden rubinrote Goldsole bereits im Mittelalter zur Färbung von Glas (z. B. Kirchenfenster) eingesetzt und waren später Gegenstand erster wissenschaftlicher Untersuchungen, die im Jahr 1857 zu Faradays Abhandlung über Experimentelle Untersuchungen über das Verhalten von Gold und anderen Metallen zu Licht geführt haben [1].

Optische und taktile Oberflächencharakterisierung auf der nm-Skala

Gerd Ehret, Michael Schulz, Uwe Brand, Ludger Koenders, Rolf Krüger-Sehm, Thorsten Dziomba, Gaoliang Dai, André Felgner, Rudolf Meeß

1 Einleitung
Mit heutigen Bearbeitungsmethoden können Oberflächen mit Nanometer-Präzision über größere Bereiche hergestellt werden, zum Beispiel mit modernen CNC-Maschinen durch Schleifen, Polieren oder Diamantdrehen, oder mit verschiedenen Ätzverfahren z. B. an Chrom, Silizium oder Glas. Auch mit Verfahren wie dem magnetorheologischen Polieren, dem Ionenstrahlätzen oder dem Elektronenstrahlschreiben können Oberflächen auf der nm-Skala bearbeitet werden. Darüber hinaus können durch Replikationstechnologien Glas- oder Polymeroberflächen mit Genauigkeiten von einigen zehn Nanometern reproduziert werden. Bei der
Herstellung dieser Oberflächen und für die Beurteilung hinsichtlich der späteren Anwendung muss die Topographie der Oberflächen mit geeigneter Unsicherheit gemessen werden.

Charakterisierung von Nanostrukturen auf Substraten der Halbleiterindustrie

Bernd Bodermann, Jens Flügge, Hermann Gross, Akiko Kato, Frank Scholze

1 Einleitung
Bei der Herstellung mikro- und nanoelektronischer Halbleiter-Bauelemente kommen nahezu ausschließlich photolithographische Herstellungsprozesse zum Einsatz: Eine Quarzplatte mit einer elektronenlithographisch strukturierten, optisch wirksamen Schicht, die so genannte Photomaske, dient als Vorlage. Die Strukturen werden i. A. verkleinert auf die mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photolack) versehenen Wafer abgebildet, wobei das Verkleinerungsverhältnis in der High-end-Fertigung zur Zeit 1:4 beträgt. Nach der Entwicklung des Photolackes werden in weiteren Schritten wie Ätz- oder Beschichtungsprozessen die gewünschten Strukturen (z. B. Leiterbahnen) auf dem Wafer hergestellt.

Materialspezifische Messverfahren für die Nanotechnologie

Burkhard Beckhoff, Philipp Hönicke, Michael Kolbe, Matthias Müller, Beatrix Pollakowski, Falk Reinhardt, Jan Weser, Uwe Brand, Konrad Herrmann, Vladimir Nesterov

Die stetigen Fortschritte in der Entwicklung und Anwendung der Nanotechnologie gehen mit einer Vielzahl immer komplexerer neuer Materialien einher. Die Optimierung der Funktionalitäten dieser nanoskaligen Systeme erfordert dabei den Übergang von empirisch  gestütztem Wissen zu einem vollständigen Verständnis ihrer Materialeigenschaften. Dafür werden neben der Entwicklungsphase in  zunehmendem Maße auch in der Qualitäts- und Produktionskontrolle an ihre Dimensionen angepasste, rückführbare Charakterisierungsverfahren benötigt. Viele dieser Verfahren benötigen gut bekannte Kalibrierstandards oder Referenzmaterialien für ihre Rückführbarkeit. Eine aktuelle Übersicht über nanoskalige Referenzmaterialien für verschiedene interessierende Größen bietet die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) unter www.nano-refmat.bam.de/en/. Der verfügbaren Zahl dieser Referenzmaterialien steht hingegen eine ungleich größere Anzahl neuer nanoskaliger Materialien gegenüber, so dass Referenzmessverfahren, deren Rückführbarkeit nicht auf Referenzmaterialien basiert, eine wachsende Bedeutung zukommen dürfte. In den beiden nachfolgenden Abschnitten werden in der PTB entwickelte materialspezifische Messverfahren für die Nanotechnologie vorgestellt, die z. T. ohne Referenzmaterialien rückführbare Informationen über relevante Größen nanoskaliger Materialien bereitstellen können.

Von konventionellen zu kristallinen Normalen: Über die Nutzung kristalliner Strukturen für die Nanometrologie

Ludger Koenders, Gaoliang Dai, Thorsten Dziomba, André Felgner, Jens Flügge, Ulrich Kuetgens

Zusammenfassung
Mit immer höheren Auflösungen der modernen Geräte der Oberflächenmesstechnik werden auch an die Kalibrierung dieser immer höhere Anforderungen gestellt. Normale, die mittels Lithographietechniken hergestellt werden, reichen nicht mehr aus. Auch die derzeit besten metrologischen Geräte, ausgestattet mit Laserinterferometern für die Messung von Verschiebungen bzw. Auslenkungen, stoßen an Grenzen. Hier stellt sich die Frage, inwieweit atomare Strukturen von Einkristallen oder Oberflächen als Normal in Frage kommen könnten. Dazu müssten die atomaren Abstände im Volumen und an der Oberfläche auf die SI-Längeneinheit Meter rückgeführt werden. Im Artikel wollen wir zeigen, das mittels Röntgeninterferometern hochwertige Einrichtungen existieren, mit denen kleinste laterale Verschiebungen rückführbar gemessen werden können. Bei den Oberflächen kristalliner Körper gibt es aber noch einiges zu tun.

Fertigungsverfahren für die Nanometrologie

Rudolf Meeß, Tanja Mehlstäubler, Thomas Weimann

1 Einleitung
In der Definition des Begriffes Nanotechnologie von Norio Taniguchi aus dem Jahre 1974 "Nanotechnology mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule" [16] wird eine Herausforderung aus fertigungstechnischer Sicht deutlich. Lange, bevor der Begriff Nanotechnologie Einzug in den Alltag und in die internationale Normung fand, wurden hier die Dimensionen von Atomen und Molekülen als maßgebend definiert. Technisch gesehen bedeutet dies die gezielte Erzeugung von Oberflächen mit Auflösungen von wenigen Nanometern. Es umfasst eng definierte und tolerierte Abmaße in mindestens einer räumlichen Ausdehnung: z. B. Partikel mit Ausdehnungen im Nanometerbereich, oder makroskopische Körper mit Formabweichungen und Rauheiten im Nanometerbereich und besser (z. B. Lithographie-Optik [1]), aber auch Strukturen zum Einsatz in der Messtechnik mit lateraler Auflösung im Nanometerbereich.

Normung für die Nanotechnologie

Thorsten Dziomba, Harald Bosse, Ludger Koenders

1 Normen für die Nanotechnologie – eine besondere Herausforderung

International akzeptierte Normen und Richtlinien gelten allgemein als notwendige Voraussetzungen für die Realisierung einer global verteilten Produktion in vielen Industriebranchen, so auch im Bereich der Nanotechnologie. Als treibende Kraft erweisen sich neben den generellen Vorgaben von Qualitätsmanagementsystemen (ISO 9001, ISO 17025) dabei die Anforderungen an einen verantwortungsbewussten Umgang unter Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltaspekten (HSE – health, safety and environment). Normung für die Nanotechnologie ist damit wie bei nur wenigen anderen Technologien stark interdisziplinär, reicht weit über rein naturwissenschaftlich-technische Fragestellungen hinaus und umfasst zusätzlich Aspekte der Bereiche des Umwelt-, Arbeits-, Verbraucher- und Gesundheitsschutzes. Zukünftige gesetzliche Regelungen dürften Bezug auf etliche derzeit entwickelte Normen  nehmen. Daraus leitet sich, bezogen auf die Messtechnik, die Forderung nach allgemein vereinbarten und weltweit branchen- und möglichst gesellschaftsübergreifend akzeptierten wissenschaftlich fundierten, gleichzeitig praktikablen Testmethoden ab.