26. Januar 2021

Großes Potenzial für kleinste Strukturen

EU-Forschungsnetzwerk will Erzeugung von Nanostrukturen mit fein fokussierten Ionenstrahlen voranbringen

Der fein fokussierte Ionenstrahl (Focused Ion Beam, FIB) ist ein sehr nützliches Werkzeug in der Nanotechnologie und in der Analytik. Wissenschaftler:innen nutzten die FIB-Technologie bisher vor allem, um Proben für bestimmte Mikroskopietechniken zu präparieren, etwa bei der Fehlersuche in der Halbleiterindustrie. Doch FIBs können viel mehr. Das vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) initiierte EU-Netzwerkprojekt „Fokussierte Ionentechnologie für Nanomaterialien – FIT4NANO“ will Forscher:innen und Unternehmen aus ganz Europa zusammenbringen, um die Technologie gemeinsam weiterzuentwickeln und neue Anwendungen zu erschließen.


Eine Ionenfeinstrahlanlage ähnelt einem Rasterelektronenmikroskop, nur nutzen die Wissenschaftler:innen in diesem Fall Ionen anstelle der Elektronen. Charakteristisch für FIBs im niedrigen Energiebereich von unter 50 Kiloelektronenvolt sind der geringe Strahldurchmesser im Nano- und Subnanometer-Bereich, eine hohe Stromdichte sowie eine vielfältige Auswahl an nutzbaren Ionen. „Aufgrund dieser Eigenschaften haben fokussierte Ionenstrahlen ein großes Potenzial für viele weitere Anwendungen in der Nanotechnologie“, erklärt Gregor Hlawacek, Leiter der Arbeitsgruppe Ioneninduzierte Nanostrukturen am HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung und Koordinator des FIT4NANO-Projektes. „Beispielsweise lassen sich damit im Nanobereich Oberflächen flexibel strukturieren oder lokale Materialeigenschaften gezielt verändern. Für die Quantentechnologie, die Halbleiterindustrie oder die Modifizierung von zweidimensionalen beziehungsweise 2D-Materialien – also kristallinen Materialien, die aus nur einer oder wenigen Lagen von Atomen oder Molekülen bestehen – könnte unsere Technologie bedeutsam werden. Auch bei Anwendungen in der Medizin werden FIBs zukünftig eine wichtige Rolle spielen.“

FIT4NANO will Entwickler, Hersteller und Anwender der FIB-Technologie aus ganz Europa miteinander vernetzen und Kontakt- und Austauschmöglichkeiten schaffen. Ziel ist es, die grundlegenden Erkenntnisse zur Nutzung fokussierter Ionenstrahlen zusammenzuführen, Kooperationen zu ermöglichen und gemeinsam neue Produkte und Anwendungstechniken zu entwickeln. An dem Projekt nehmen rund 80 experimentelle und theoretische Arbeitsgruppen aus 30 Ländern teil.


Nanotechnologie der nächsten Generation

Im Mittelpunkt stehen sowohl funktionelle Nanostrukturen und -materialien als auch Ionenstrahl-basierte Analysemethoden. Zum Beispiel lassen sich auf der Nanoebene die elektrischen Eigenschaften von 2D-Materialien so verändern, dass aus Leitern Halbleiter werden. In Richtung Quantenkommunikation zielen die Forschung zu Defekten in 2D-Materialien und der Einbau einzelner Ionen. Eine Anwendung mit Heliumionen, die Heliumionen-Mikroskopie, ermöglicht direkte Einblicke in biologische Proben wie Zellstrukturen und Viruspartikel, so etwa auch in die Interaktion von SARS-CoV-2 mit zur Herstellung von Impfstoffen genutzten sogenannten Vero-Zellen – ein aktueller Beitrag der Ionenstrahlphysiker:innen zur Entwicklung neuer Vakzine gegen Corona-Viren. Arbeitsgruppen am HZDR und ihre Partner verwenden FIBs darüber hinaus, um Degradationsprozesse in Lithium-Akkumulatoren zu erkennen oder Mineralien in neuen Erzlagerstätten auf die Spur zu kommen.

Das auf vier Jahre angelegte Programm startete Mitte Oktober 2020 mit einem Kick-off-Meeting, das Corona-bedingt als Videokonferenz stattfand. „Wir haben drei inhaltliche Schwerpunkte definiert“, erzählt der Projektkoordinator. „Da ist zum einen die Weiterentwicklung der fokussierten Ionenstrahltechnologie, dann ihre Anwendung auf nanostrukturierte Funktionsmaterialien und schließlich der theoretische Hintergrund zu den Wechselwirkungen zwischen Ionen und Festkörpern.“ Für den Austausch und Wissenstransfer untereinander sind neben jährlichen projektweiten Treffen auch Schulungen für Doktoranden und Postdocs, kürzere wissenschaftliche Austausche, die Bereitstellung von Datenbanken und gemeinsame Veröffentlichungen geplant. Für die Netzwerkaktivitäten stellt das EU-Programm COST (European Cooperation in Science and Technology) pro Jahr bis zu 120.000 Euro bereit.


Austausch in vier Fachgruppen

Die größte Arbeitsgruppe bilden Anwender, die fokussierte Ionenstrahlen für die Materialanalyse und die Herstellung neuartiger Nanomaterialien in einer Größenordnung unter 10 Nanometer nutzen wollen. Besonders stark vertreten sind hier Wissenschaftler:innen aus „forschungs- und innovationsschwächeren“ europäischen Staaten, sogenannte Zielstaaten für Inklusion (ITC – Inclusiveness Targeted Countries). Forscher:innen verschiedener Fachrichtungen erhalten durch das Projekt Zugang zu High-End-Geräten, die ihnen sonst nicht zur Verfügung stehen.

In einer anderen Gruppe kooperieren akademische und kommerzielle Technologieentwickler, um weitere Ionenquellen wie Eisen-, Kobalt- oder Nickellegierungen für FIB-Anwendungen nutzbar zu machen oder neue Probenhalter, Detektoren und andere, verbesserte Werkzeuge zu entwickeln.

Die Wechselwirkungen zwischen Ionen und Festkörpern besser zu verstehen ist das Ziel der Arbeitsgruppe „Theorie und Simulation“. Auf den vergleichsweise großen Längenskalen im Mikrometerbereich sind sie gut erforscht. Doch bearbeiten die Wissenschaftler:innen nur nanometergroße Strukturen mit ihren FIBs, werden an den Probenrändern ablaufende, zuvor vernachlässigbare Prozesse wie die Abtragung von Material nun überproportional bedeutsam. Außerdem können die Ionen nicht mehr ihre gesamte Energie im Innern der Probe abgeben, was zu einer Abweichung vom erwarteten Effekt führt. Auch andere Vorgänge bei Probengrößen im Nanometerbereich sind noch nicht verstanden. So beobachteten die Forscher:innen manchmal eine unerwartete Stabilität von Strukturen gegen die zerstörerische Wirkung des fokussierten Ionenstrahls, aber oft auch das Gegenteil. Antworten auf diese Fragen sind jedoch grundlegend für neue Anwendungen.


Wissenstransfer und Datenbanken

Eine vierte Gruppe engagiert sich in der Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit. Nicht nur der Wissenstransfer untereinander, auch der zu Industrie und interessierten Laien soll gefördert werden. Die Initiator:innen des Projekts möchten ihre Forschung vor allem Lehrkräften und Schüler:innen nahebringen und für das Thema begeistern, unter anderem auch durch die Entwicklung und Bereitstellung von Lehrmaterial.

Grundlage für die erfolgreiche Zusammenarbeit im Netzwerk ist der Zugang zu Informationen, vor allem zu solchen, die für viele der Beteiligten bisher nicht verfügbar sind. Das betrifft europaweit vorhandene Geräte ebenso wie Forschungsdaten und Methodenwissen. Mit dem „FIB-Almanach“ soll eine Datenbank entstehen, die besondere Instrumente, deren Verfügbarkeit und Anwendungsspektren auflistet. Außerdem wird ein „FIB-Atlas“ mit Referenzdaten und einer Ionen- und Materialdatenbank erstellt. Hier finden Wissenschaftler:innen Informationen zu Methoden, Standardbedingungen oder vorhandene Lösungen zu ihrer Fragestellung.

Der Austausch der Arbeitsgruppen findet zunächst nur online statt. „Ein erstes Online-Meeting ist für das Frühjahr 2021 geplant“, sagt Gregor Hlawacek. „Wir hoffen, dass bei der großen Jahreskonferenz im Spätsommer dann endlich alle persönlich zusammenkommen können.“
-> Zur News des HZDR.


Foto ©HZDR: Kieselalge unter dem Helium-Ionenmikroskop des HZDR.

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