25.07.17 09:44

Physik

Startschuss für die nächste Generation der Nanosystemtechnik

Von: Arne Claussen

Im neuen Projekt „FunALD“ will ein Konsortium von Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Hochschulen unter Beteiligung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) Materialien für innovative und intelligente Sensoren entwickeln. Im Kernpunkt des Projekts stehen die Herstellung und der Einsatz einer neuer Klasse funktionaler Materialien, die im Nanometermaßstab strukturiert sind. HHU-Physiker werden sich dabei insbesondere um die Nano- und Oberflächenanalytik kümmern.

Sensoren sind aus vielen Bereichen der Wirtschaft und des Alltags nicht mehr wegzudenken. Im Automobil detektieren sie Diesel- und Benzinabgase in der Außenluft und verhindern das Eindringen von Schadstoffen in den Fahrzeuginnenraum. In der Lebensmittelproduktion überwachen sie die Ammoniak-Konzentration in Kälteanlagen. Luftgütesensoren erfassen toxische und explosive Gase und warnen vor dem Austreten gefährlicher Schadstoffe.

Heute kommerziell erhältliche Sensoren sind allerdings für viele Anwendungen vergleichsweise zu wenig sensitiv und haben eine große Querempfindlichkeit, d.h. sie sprechen auch auf andere, nicht gewünschte Stoffe an. Der Schlüssel zu sensitiveren, spezifischeren und günstigeren Sensoren können neue, ultradünne und im Nanometerbereich (ein Nanometer entspricht dem Millarstel Teil eines Meters) strukturierte Materialien sein.

Ein Forschungskonsortium unter Leitung des Duisburger Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme will eine neue Art der Materialherstellung insbesondere für die Sensortechnik untersuchen: die „Atomlagenabscheidung“ („Atom Layer Deposition“, kurz ALD). Mit dabei ist ein Team der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf vom Institut Experimentelle Physik der kondensierten Materie um Prof. Dr. Klaus Schierbaum.

Mit dem ALD-Verfahren können Materialschichten ultradünn – Atomlage für Atomlage – gezielt abgeschieden und strukturiert werden. Heraus kommen Schichten mit Dicken von weniger als 50 Nanometer. Mit der Technik ist es auch möglich, freitragende dreidimensionale Bauelemente auf elektronischen Bauelementen aufzubauen. „Solche freitragenden Nanodrähte aus Metalloxiden eignen sich hervorragend für ultrasensitive Gas- oder Bio-Sensoren“, so Prof. Dr. Klaus Schierbaum.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Schierbaum steuert ihre Expertise in der Materialanalyse und Oberflächenanalytik für Gas-Sensoren bei. Darüber hinaus haben sie bereits große Erfahrungen im Design und der Herstellung von Sensoren, die unter anderem Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Feuchte messen können. Prof. Schierbaum weiter zu den Beiträgen der Düsseldorfer Gruppe im FunALD-Konsortium: „Wir hatten uns bereits im Rahmen eines großen EU-geförderten Vorhabens mit Nanostrukturen für die chemische Sensorik intensiv befasst und freuen uns jetzt, diese Erfahrungen in das neue EFRE-Vorhaben einbringen zu können und die Forschung und Entwicklung der ALD-Schichten – integriert in die CMOS-Technologie – für die Sensorik mit zu gestalten. Durch die Einbindung der Industrie sind die Chancen für den späteren Marktzugang günstig, und das ist für die Unternehmen aus Nordrhein-Westfalen wiederum ein positiver Aspekt.“

Das FunALD-Konsortium

Im Rahmen des Leitmarktwettbewerbs „NeueWerkstoffe NRW“ der nordrhein-westfälischen Landesregierung wird in den nächsten drei Jahren ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen, Unversitäten und Unternehmen eine neue Klasse von ultradünnen funktionalen Materialien auf Basis der ALD-Technologie für mechanische Sensoren und Gas-Sensoren entwickeln. Unter Leitung des Duisburger Fraunhofer Instituts für Mikroelektronische Schaltungen IMS setzt sich das Konsortiums weiterhin aus dem Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. in Duisburg-Rheinhausen, der Ruhr-Universität Bochum, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf sowie der ExTox Gasmess-Systeme GmbH zusammen. Assoziierte Partner sind zudem der Automobilzulieferer paragon AG und die Aixtron SE, Hersteller von Abscheideanlagen für die Halbleiterindustrie.

Das Projekt wird aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) mit insgesamt 1,5 Millionen Euro gefördert.

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