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News: Elektrochemie im Nanobereich

Die Produktion und Manipulation von Materialien im Nanometerbereich zählt zu den Schlüsseltechnologien für zukünftige elektronische und mechanische Geräte. Mit der erfolgreichen Modifikation von Metalloberflächen durch extrem kurze Spannungspulse haben Wissenschaftler elektrochemische Methoden für den Verfahrenskatalog der Nanoproduktion erschlossen.
Rolf Schuster, Viola Kirchner, Xinghua Xia, A. M. Bittner und Gerhard Ertl vom Fritz Haber Institut der Max-Planck-Gesellschaft haben ein elektrochemisches Rastertunnelmikroskop entwickelt, mit dem sie sowohl kleinste Cluster von Atomen auf einer Metalloberfläche ablagern als auch lokal begrenzte Vertiefungen in selbige ätzen konnten (Physical Review Letters vom 22. Juni 1998, Abstract).

Die Wissenschaftler tauchten dazu die Nadel des Mikroskops, mit der normalerweise Oberflächen abgetastet werden, in einen Elektrolyten – in diesem Falle eine Salzlösung, die positiv geladene Kupferionen enthielt. Dann legten sie für extrem kurze Zeit eine elektrische Spannung zwischen einer Oberfläche aus Gold und der Nadelspitze an. Dadurch wurden Elektronen vom Gold auf einige Kupferionen in der Lösung übertragen. Die entstandenen neutralen Kupferatome lagerten sich in kleinen Clustern, die nur wenige hundert Atome umfaßten, auf der Oberfläche ab.

Der umgekehrte Prozeß ließ sich durch einen entgegengesetzten Spannungsstoß einleiten. Durch ihn werden Goldatome oxidiert, d.h. sie verlieren Elektronen, und die Edelmetallionen diffundieren in die Lösung hinein. Zurück bleiben winzige Löcher von einigen Nanometern Größe.

In der herkömmlichen Elektrochemie laufen die Reaktionen über die gesamte Elektrode ab und sind im wesentlichen von deren Form und geometrischen Anordnung unabhängig. Daher sind mit ihren Methoden nur Modifikationen bis hinab zur Ebene von Mikrometern möglich. Selbst mit winzigen Elektroden lassen sich keine Nanostrukturen erzeugen.

Der Trick der Max-Planck-Wissenschaftler bestand darin, einen hochkonzentrierten Elektrolyten und Spannungspulse, die nur Nanosekunden andauerten, zu verwenden. Dadurch verlief die chemische Reaktion weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht und blieb folglich auf die unmittelbare Umgebung um die Nadelspitze beschränkt.

Abgesehen von der Strukturierung von Goldoberflächen eröffnet die Methode neue Wege der Modifikation von Halbleitern, dem Hauptbestandteil moderner Elektrogeräte. Mit dem "Puls-elektrochemischen Rastertunnelmikroskop" ließen sich einfach durch Austausch des Elektrolyten sogar verschiedene Materialien abscheiden. Damit wäre eine Voraussetzung für die Produktion realer elektronischer Bauteile geschaffen.

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