Die Verwendung der Zwei-Photonen-Lithographie beim Drucken von 3D-Nanostrukturen

Der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, ist durch fortwährende Weiterentwicklung gekennzeichnet. Anfangs stellten Designer mithilfe eigener Drucker für gewöhnlich nur kleine 3D-Strukturen als „coole“ Maßanfertigungen her. Inzwischen hat sich dieses Verfahren zu einer leistungsfähigen Fertigungstechnik weiterentwickelt, mit deren Hilfe sich geometrisch komplexe Teile für unzählige Branchen drucken lassen. Und ihr Anwendungsbereich wächst von Tag zu Tag, da es nun möglich ist, 3D-Drucke in Nanogröße herzustellen.

Nun ließe sich argumentieren, dass herkömmliche 3D-Druckverfahren das Arbeiten im Nanobereich ohnehin einbeziehen, da die Strukturen in atomaren Schichten aufgebaut sind. Das stimmt zwar, doch handelt es sich beim Endprodukt – oder fertigen Stück – um eine Bulk-Struktur. Jetzt ist es möglich, Schichten von Atomen in 3D zu drucken, wobei das Ergebnis ein Nanomaterial oder eine Struktur in Nanogröße ist, ohne dass am Ende eine Bulk-Struktur entstehen muss. Neben den geläufigen Nanofertigungsverfahren von unten nach oben, wie der chemischen (CVD) bzw. der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) oder der Atomlagenabscheidung (ALD), könnte sich dieser relativ neue Bereich als eine nützliche und vielfältige Technik zur Nanofertigung herausstellen. In diesem Beitrag wird erläutert, wie Designer die Zwei-Photonen-Lithographie zum Drucken von 3D-Strukturen in Nanogröße verwenden können.

Zwei-Photonen-Lithographie

Mithilfe der sogenannten Zwei-Photonen-Lithographie können nun Strukturen in Nanogröße gedruckt werden. Bei der Lithographie handelt es sich um eine Klasse von Herstellungsverfahren, bei der Materialien auf eine Oberfläche aufgetragen werden; abgeschlossen wird das Ganze dann durch eine photoresistente Maske. Diese schützt einzelne Oberflächenbereiche, während andere zu bestimmten Mustern oder Ausgestaltungen geätzt werden. Im Wesentlichen handelt es sich bei lithographischen Verfahren eher um Top-down- als um Bottom-up-Techniken.

Die Zwei-Photonen-Lithographie unterscheidet sich geringfügig. Sie kommt insbesondere beim Aufsetzen komplexer Architekturen in Nanogröße auf unterschiedlichste Oberflächen umfassend zum Einsatz. Um Nanodrucke anzufertigen, müssen die verwendeten Materialien in flüssiger Form vorliegen und auf Lichtphotonen reagieren (vorzugsweise auf Photonen nah am Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums). Anschließend wird das zunächst flüssige Ausgangsmaterial mithilfe eines (häufig gepulsten) Hochenergielasers beschossen. Unter der Laserenergie erhärtet sich das eingangs flüssige Material schließlich – meist durch Polymerisation –, indem die Nahinfrarotphotonen absorbiert werden. Dies ermöglicht in weiterer Folge die Fertigung solider Strukturen. Für gewöhnlich verwenden Designer Nahinfrarotphotonen eines gepulsten Lasers, der ausreichend Energie liefert, um den Phasenwechsel einzuleiten und das Aushärten des fraglichen Materials zu ermöglichen, jedoch nicht stark genug ist, um das Material zu beschädigen oder chemisch zu verändern.

Der Laser ist in der Lage, dreidimensional rund um das flüssige Ausgangsmaterial herum zu scannen, wodurch die Architektur des Drucks durch die Richtung der Laserabtastung gesteuert wird. Wie bei vielen anderen lithographischen Verfahren kann photoresistives Material, d. h. eine photoresistive Maske, in bestimmten Bereichen aufgebracht werden, um das dreidimensionale Heranwachsen der Struktur besser zu steuern. Das Ergebnis ist ein festes nanostrukturiertes Material aus einem flüssigen Ausgangsstoff (dem herkömmlichen 3D-Druck nicht unähnlich), jedoch im kleineren Maßstab. Dieses Verfahren wird sowohl mit anorganischen als auch organischen Materialien, insbesondere photosensitiven Polymeren, umfassend eingesetzt, und bezieht bereits erste Metalle mit ein.

Fazit

Obwohl der 3D-Druck in der Fertigungsbranche auf großes Interesse stößt, ist sein Einsatz innerhalb der Nanotechnologie noch relativ neu. Nach wie vor stellen Polymere beim Drucken in Nanogröße das wichtigste Material dar, doch nimmt die Vielfalt der möglichen Materialien stetig zu. Dieser Bereich wird in den kommenden Jahren mit Sicherheit wachsen und könnte sich zu einem eigenständigen Nanofertigungsverfahren entwickeln, sofern seine Bedeutung ähnlich zunimmt wie die anderer 3D-Druckmethoden. Zu seinen zukünftigen Anwendungsbereichen zählen womöglich präzise Musterungen in Nanogröße oder die Fertigung von Nanomaterialien mit präzisen und komplexen Strukturen für molekulare Gerüste; Potenzial hätte zudem die Fertigung von Quantenbits (Qubits) für Quantencomputeranwendungen.