Nanotechnologie wordt beschouwd als de belangrijkste technologie van de 21e eeuw, het leveren van de fundamentele methoden, waarmee objecten van slechts een paar honderd nanometer groot in elke gewenste vorm kunnen worden geproduceerd. Deze objecten vinden praktisch overal toepassing - of het nu gaat om microprocessors en elektrische circuits in computers, in de telecommunicatie-industrie, of in de geneeskunde en biotechnologie - om er maar een paar te noemen. Om de ontwikkeling van nieuwe productieprocessen aan te moedigen, heeft de EU onlangs het Marie Curie-opleidingsnetwerk "ELENA" (lage-energie-elektronengestuurde chemie ten behoeve van opkomende nanofabricagemethoden) opgericht. Empa is een van de projectpartners, samen met 13 universiteiten, drie onderzoeksinstituten en vijf industriële partners, uit in totaal 13 landen.

Het doel van dit grootschalige project is om jonge Europese wetenschappers op het gebied van nanotechnologie op te leiden, zodat ze de innovatieve ideeën kunnen genereren die nodig zijn voor verder onderzoek en wetenschappelijke exploitatie, waardoor het internationale concurrentievermogen van Europa wordt vergroot. Het netwerk wordt geleid door Oddur Ingólfsson van de Icelandic University in Reykjavík, Empa's vertegenwoordiger is Ivo Utke van het laboratorium Mechanics of Materials and Nanostructures in Thun.

Empa was al betrokken bij het voorgangerproject van "ELENA", het COST-Action Network "CELINA" (chemie voor elektron-geïnduceerde nanofabricage), waar het nauw samenwerkte met enkele van de universiteiten die nu deelnemen aan het huidige project. Het doel van "CELINA" was om de geschiktheid van materialen met een lage vluchtigheid te onderzoeken voor het direct schrijven met gefocusseerde elektronenstralen met behulp van een gasinjectiesysteem (in eigen huis ontwikkeld) met een scanning elektronenmicroscoop.

De EU stelt de komende vier jaar zo'n 4 miljoen euro beschikbaar voor ELENA. Twee ultramoderne nanotechnologieprocessen staan ​​centraal in het netwerk:Focused Electron Beam Induced Deposition, (FEBID) en Extreme Ultraviolet Lithografie (EUVL).

Extreem fijne structuren in drie dimensies schrijven

De FEBID-techniek maakt gebruik van een uiterst fijn gefocusseerde elektronenbundel. Dit wordt gebruikt om driedimensionale structuren van elke gewenste vorm op een oppervlak te "schrijven", zoals de siliciumwafels waaruit computerchips worden vervaardigd. De structuren worden gecreëerd door een vorm van "Additive Manufacturing", in die absorberende moleculen, die continu aan het betreffende oppervlak worden toegevoerd, worden dan onderbroken door een elektronenstraal, waarna bepaalde delen van het molecuul plaatselijk op het substraat worden afgezet. Het proces vereist het gebruik van moleculen die de benodigde componenten bevatten - deze worden vervolgens door de elektronenstraal vrijgemaakt om de vereiste materiaalsamenstelling op het substraat te creëren.

Functionele materialen bedrukken

In de loop van het ELENA-project materiaalwetenschappers, scheikundigen en natuurkundigen gaan samenwerken om moleculen te ontwikkelen en te testen die geschikt zijn voor de FEBID-techniek. Dit proces is de afgelopen 10 jaar het onderwerp geweest van onderzoek bij Empa en is al met succes toegepast op het schrijven van magnetische sensoren met de hoogste laterale magnetische resolutie. Hiervoor gebruikten de Empa-onderzoekers het Co2(CO)8-molecuul, waardoor ze een korrelige kobaltverbinding met speciale magnetische eigenschappen in een koolstofhoudende matrix op een siliciumoxidelaag tussen verschillende goudelektroden konden schrijven. Op het gebied van nanofotonica is een andere toepassing gerealiseerd:de uitgangsstof, gold Me2Au(tfa) werd gebruikt om op een minimaal invasieve manier een optisch rooster te schrijven op een oppervlak met een verticale holte die laser uitstraalt.

De EUVL-techniek drukt ook uiterst fijne structuren op oppervlakken, hoewel het beperkt is tot twee dimensies. Ook zijn er speciaal aangepaste materialen nodig om dit proces goed te laten functioneren, in dit geval dunne films die bekend staan ​​als fotoresists. Wanneer deze films op de juiste manier worden bestraald met EUV-licht, creëren ze efficiënt en precies de gewenste structuren.

De zoektocht naar nieuwe moleculen voor additief schrijven op zuivere metalen met FEBID, en nieuwe fotoresists voor EUVL staan ​​centraal in de onderzoeksinspanningen van in totaal 15 excellente doctoraatsstudenten die aan het ELENA-project werken. Ivo Utke's groep, met twee postdocs en drie promovendi, test mogelijke manieren om de afgezette componenten van het absorberende molecuul te regelen als functie van de intensiteit van de elektronenbundels en molecuulstromen in een scanning elektronenmicroscoop.