Text: Bernd Müller
„Es gibt noch jede Menge Platz da unten.” Mit seinem berühmten Zitat wollte Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman vor einem halben Jahrhundert ausdrücken: Die Welt der Atome bietet noch viele unerkannte Möglichkeiten. Damit hatte Feynman recht, nicht jedoch mit einem zweiten, nicht ganz so bekannten Ausspruch: „Wir können keine Atome bewegen, weil wir zu groß sind.”
Dass der große Physiker hier irrte, beweist sein Kollege Thomas Schimmel Tag für Tag in seinen beiden Labors an der Universität Karlsruhe und am Forschungszentrum Karlsruhe. Dort bewegt der Physik-Professor mit seinem 15-köpfigen Team sehr wohl einzelne Atome und schiebt sie hin und her, als wären es Schachfiguren.
Schimmel ist Sprecher des Kompetenznetzes „Funktionelle Nanostrukturen”, das von der Landesstiftung Baden-Württemberg seit 2003 gefördert wird, mittlerweile schon in der zweiten Förderrunde, die bis 2008 reicht. Am Netz beteiligt sind die Universitäten in Karlsruhe, Konstanz, Stuttgart und Ulm, das Forschungszentrum Karlsruhe, das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart sowie weitere Arbeitsgruppen an anderen Universitäten des Landes – und damit die Crème de la crème der Nanoszene in Baden-Württemberg. Fünf Millionen Euro von 2006 bis 2008 bekommt das Kompetenznetz von der Landesstiftung – die maximale Fördersumme, die nur ausgeschüttet wird, wenn die Begutachtung durch den internationalen Gutachterausschuss ohne jede Abstriche eine exzellente Bewertung ergibt.
Dass die Einschätzung der Landesstiftung von anderen geteilt wird, bestätigte ein Ranking der deutschen Nanoforschung durch das Magazin „Wirtschaftswoche”, bei dem Universität und Forschungszentrum Karlsruhe zusammen mehr als doppelt so viele Punkte holten wie der zweitplatzierte Nano-Standort München. Auch eines der ersten drei neu eingerichteten Forschungszentren der Deutschen Forschungsgemeinschaft, das Zentrum für Funktionelle Nanostrukturen, wurde nach erfolgreicher Begutachtung in Karlsruhe eingerichtet. Fast unnötig zu erwähnen, dass die baden-württembergischen Nanoforscher bei der Bewertung der 52 eingereichten Anträge für Landeskompetenznetze mit ihrem Kompetenznetz „Funktionelle Nanostrukturen” auf Platz eins landeten.
Tatsächlich hat sich das Karlsruher Team, das Schimmel seit zehn Jahren leitet, an die internationale Spitze der Nanotechnologie gepirscht. Diese beschäftigt sich mit Strukturen im Nanometerbereich (ein Nanometer = ein millionstel Millimeter) und gilt als eine Schlüsseltechnologie, die in Zukunft von der Informationstechnologie über die Automobiltechnik bis hin zu Medizin und Pharmazie immer mehr Lebensbereiche mit neuen Materialien und Produktionsverfahren beeinflussen wird. In den Neunzigerjahren wurde das Forschungsgebiet stark von den Amerikanern dominiert, doch die deutschen Kollegen haben inzwischen gleichgezogen.
Jüngster spektakulärer Erfolg ist der weltweit erste Transistor, der mit einem einzelnen Atom schaltet. Der Karlsruher Versuchsaufbau ist verblüffend einfach: Auf einem Schreibtisch – ganz ohne schützende Hülle – liegt eine Halterung, in die ein Glasplättchen mit mehreren elektrischen Anschlüssen eingespannt ist. Zwischen zwei winzigen Goldelektroden befinden sich zwei hauchdünne Spitzen aus Silber, die sich nur in einem einzigen Atom berühren.
Das Team um Schimmel hat es geschafft, dieses Silberatom in einen so genannten bistabilen Zustand zu versetzen: Das Atom in der Mitte des Kontaktes kann zwischen zwei Positionen hin- und hergeklappt werden. Dies geschieht mit einer kleinen Steuerspannung, die an eine dritte Elektrode, die Steuerelektrode, angelegt wird. Liegt das Atom genau zwischen den Spitzen, ist der Kontakt hergestellt und der Stromkreis geschlossen, es fließt Strom über dieses Atom. Wird das verbindende Atom zur Seite geklappt, ist der Stromkreis unterbrochen, der Schalter ist aus.
Dieser steuerbare atomare Schalter ist der weltweit erste Transistor auf der Skala einzelner Atome. Weil es sich um einen atomaren Transistor aus Metall handelt, reichen wenige Millivolt als Steuerspannung – ein Hundertstel im Vergleich zu herkömmlichen Transistoren aus Halbleitern, wie sie heute millionenfach in Computerchips eingesetzt werden. Würde man – hypothetisch – dieselben Chips mit atomaren Transistoren made in Karlsruhe bestücken, würde die benötigte elektrische Leistung auf rund ein Zehntausendstel schrumpfen und damit der Stromhunger von Notebooks und Handys dramatisch sinken.
Da der einzige bewegliche Teil in den atomaren Transistoren ein Atom ist, sind außerdem ultrahohe Taktfrequenzen bis in den Terahertzbereich denkbar, das Tausendfache der drei Gigahertz, mit denen die Herzen heutiger Mikroprozessoren in PCs schlagen. Ob und wo atomare Transistoren und Elektroniken tatsächlich einmal zum Einsatz kommen, muss die Zukunft zeigen.
Schimmels Team hat sich bereits Gedanken gemacht, wie man kleinste Strukturen und Schaltelemente wie die Einzelatom-Transistoren in einem Nanochip verdrahten könnte. Die beiden Spitzen im Transistor werden durch elektrochemisches Abscheiden von Silberatomen hergestellt – nach diesem Prinzip lassen sich auch Drähte fabrizieren.
In einem neuartigen Verfahren organisieren sich die Silberatome dabei selbstständig zu langen Drähten, die unter dem Elektronenmikroskop ganz ähnlich aussehen wie Haarbüschel. Doch zwischen dem Durchmesser dieser Drähte und dem, was wir als haardünn empfinden, liegen Welten: Ein Bündel aus 100 000 Nanodrähten wäre kaum so dick wie ein menschliches Haar.
Das Universalwerkzeug – sozusagen das Schweizer Messer – aller Nanoforscher ist das Rasterkraftmikroskop, der moderne Ableger des Rastertunnelmikroskops, das die Nobelpreisträger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer Anfang der Achtzigerjahre bei IBM in Zürich erfunden haben. Beim Rasterkraftmikroskop werden kleinste Kräfte wie Reibung oder Magnetismus zwischen einer feinen Abtastspitze und der Probenoberfläche erfasst. Im Prinzip gleitet die Spitze wie die Nadel eines Plattenspielers über die Probenoberfläche, sie kann aber auch knapp darüber schweben und die winzigen Kräfte messen, die dann zwischen der Spitze und den Atomen der Probe herrschen.
Versetzt man die Blattfeder, an deren Ende die Nadelspitze sitzt, in Schwingung, wird das Rasterkraftmikroskop zu einem extrem feinfühligen Werkzeug. Schimmels Team hat damit eine Fräse gebaut, die einzelne Atome aus einem Material herauskickt – die kleinste Fräsmaschine der Welt. „Mit jedem Arbeitshub der Nanofräse wird gerade einmal ein Atomdurchmesser an Material abgetragen”, betont Schimmel. Bis zu 50 000-mal schwingt die Spitze in jeder Sekunde, somit lassen sich in diesem kurzen Zeitraum 50 000 Atomdurchmesser an Material entfernen.
Fantasievolle Muster und Schriftzüge haben die Karlsruher schon aus Metall-, Halbleiter- und Isolator-Oberflächen herausgefräst. Wie bei modernen Werkzeugmaschinen wird die Spitze der Nanofräse von einem Computer gesteuert und Atomdurchmesser für Atomdurchmesser vorangeschoben. Die „Späne” sind nur wenige Atome groß.
Was im Kompetenznetz betrieben wird, ist „echte” Nanotechnologie – dieser Hinweis ist Schimmel wichtig. Hier geht es nicht nur darum, dass die Strukturen einfach „irgendwie kleiner” werden, sondern dass aufgrund der kleinen Abmessungen völlig neue Effekte zum Tragen kommen. So wird etwa der oben beschriebene atomare Transistor in seinem Verhalten bereits von den Gesetzen der Quantenmechanik dominiert.
Dass auch die aktuelle industrielle Entwicklung – von der Chip-Industrie bis zur Materialforschung – zunehmend von der Nanotechnologie profitiert, beweist ein weiteres Projekt aus Schimmels Arbeitsgruppe. Mit einem neuen Verfahren, einer Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie, ist es gelungen, chemische Kontraste sichtbar zu machen. Damit lassen sich ortsaufgelöst bis hinab zur Nanometerskala chemische Reaktionen untersuchen, denen etwa die Oberfläche von Halbleitermaterialien während der Chipfertigung ausgesetzt ist.
Bei der Produktion in den Reinräumen werden die Siliziumwafer in unzähligen Prozess-Schritten beschichtet, geätzt, mit Fremdatomen dotiert und so weiter, bis schließlich ein Mikroprozessor entsteht. Dabei laufen chemische Reaktionen ab, die zwar von den Chemikern im Prinzip verstanden werden. Doch wie sich die Reaktionen auf der Oberfläche tatsächlich ausbreiten und warum manchmal unbeabsichtigt fehlerhafte Stellen auftreten, liegt oft im Dunkeln. Tastet man eine solche Oberfläche mit dem Kraftmikroskop ab, sieht sie völlig gleichförmig aus – man findet keine Berge oder Täler in der Struktur. Dennoch können sich selbst auf solchen völlig ebenen Flächen Inseln gebildet haben, in denen das Silizium oxidiert oder anderweitig chemisch an der Oberfläche verändert ist.
Schimmels Team hat sich einen Trick ausgedacht, um auch dies sichtbar zu machen. Dazu wird die Nadel in feine Schwingungen versetzt, während sie die Probenoberfläche abtastet. Die Aufnahmen zeigen, dass selbst auf völlig homogen erscheinenden Oberflächen mitunter chemische Veränderungen stattgefunden haben, die mit diesem Verfahren jetzt sichtbar gemacht werden können. Führt man mehrere Messungen schnell hintereinander aus, lassen sich sogar Filme von der Ausbreitung chemischer Reaktionen auf Oberflächen aufnehmen. Die Methode, die in der Industrie bereits auf großes Interesse stößt, ist mittlerweile patentiert.
Mit der Beobachtung chemischer Reaktionen gibt sich Schimmel aber nicht zufrieden, er will diese Reaktionen beeinflussen. „Wir wollen gezielt an gewünschter Stelle auf der Nanometerskala Chemie machen, beispielsweise feinste chemische Muster schreiben” , sagt Schimmel. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung der feinen Spitze des Rasterkraftmikroskops als elektrochemischer Stift.
Nach diesem neuen Prinzip scheiden die Karlsruher in einem galvanischen Prozess Kupfer auf einer Goldoberfläche ab. Dabei dockt das Kupfer nur dort an, wo zuvor Lücken in einen Teppich aus passivierenden organischen Molekülen geschrieben wurden. Schimmels Team kann wie mit molekularem „Tipp-Ex” den Molekülteppich gezielt verändern. In die Lücken können die Forscher Metalle abscheiden oder eine andere Molekülsorte einsetzen, ganz wie beim Ausschneiden und Einsetzen in einem Textverarbeitungsprogramm.
Das Kompetenznetz produziert nicht nur exzellente Forschung, sondern auch ausgezeichnete Wissenschaftler. Die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, von den Diplomanden und Doktoranden bis zu den Habilitierenden, ist zentraler Bestandteil des Kompetenznetzes.
Zahlreiche Wissenschaftler aus dem Netz erhielten Rufe auf Professorenstellen, und auch die Doktoranden gehen weg wie warme Semmeln. Das liegt am durchdachten Konzept: Geld aus dem Fördertopf der Landesstiftung erhalten nur Projekte, bei denen mehrere Arbeitsgruppen an verschiedenen Orten zusammenarbeiten – und nur dann, wenn diese Gruppen im Projekt zwingend aufeinander angewiesen sind.
Von Interdisziplinarität zu reden, aber dann doch nebeneinander her zu wursteln, ist im Netzwerk verpönt. So werden 20 Verbundprojekte mit insgesamt mehr als 50 beteiligten Arbeitsgruppen gefördert. Die Auslese ist hart: Nur etwa jeder dritte Projektvorschlag bekommt Geld. Manche Projekte verzichten sogar freiwillig ganz auf Fördergeld, nur um im Netz mitforschen zu können.
Dass die Landesstiftung und deren Gutachter mehr als zufrieden sind, zeigt sich bei den jährlichen Treffen des Kompetenznetzes in Bad Herrenalb. Im vergangenen Jahr nahmen fast 200 Wissenschaftler, Diplomanden und Doktoranden teil. Die kreative Atmosphäre und der rasche wissenschaftliche Fortschritt in den einzelnen Projekten begeisterten hier die Gutachter. Zitat: „ Einfach beeindruckend, was hier geleistet wird.” ■
