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Optisches Laserlithographiesystem zur Nanostrukturierung

Subject Area Condensed Matter Physics
Term Funded in 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 271377967
 
Final Report Year 2011

Final Report Abstract

Das 3D Laserlithographiesystem vereint eine einzigartige Auflösung von 150 nm für lithografische Prozesse mit der Möglichkeit dreidimensionale Strukturen zu erstellen, und erlaubt damit eine flexible Nutzung für Lithographieprojekte in Kooperationen, z.B. Medizin und Biochemie für die interdisziplinäre Forschung. Die Projekte, die an dem Laserlithografiesystem laufen, spannen einen Bereich von Spin- und Organischer Elektronik, Magnonik an gekrümmten Oberflächen bis zur Bionanomechanik. Dabei wird die Strukturierung verwendet als Standard 2D Lithografie, zum Beispiel für Hall Bar Strukturen oder Skyrmionen Racetracks, oder für komplexe 3D Strukturen für Netzwerke von lebenden Neuronenzellen. 3D Schattenmasken für Mikrostrukturierung von Organischen Tunnelelementen Organische Moleküle (K. V. Raman, et al. Nature 493, 509 (2013)) lassen sich nicht mit herkömmlichen Lithografiemethoden strukturieren. Generell werden daher Schattenmasken benutzt, die aber die Größe der Devices von mehreren 50-100 m erlauben. Mittels 3D Lithografie konnten wir dreidimensionale Schattenmasken herstellen, die unter einen Winkel aufgewachsen Strukturgrößen von wenigen Mikrometern erlaubt. Mit diesem neuen Ansatz sind riesengroße Tunnelmagnetowiderstandswerte (TMR) bei Raumtemperatur beobachtet worden bei uns im Labor (bis über 1000%). Zudem zeigen sie interessantes memristives Verhalten. 2D Lithografie: Lithografie von TI Hallbars, Skyrmion Racetracks, und Lithografie von THz Emissions Masken Die Laserlithografie hat sich auch im Einsatz zur Strukturierung von Standard 2D Lithografie bewährt. Dabei geht es um mehrstufige Prozesse wie für magnetische Tunnelelemente, oder einfachere Strukturen wie zum Beispiel für Hall Bar Strukturen oder Skyrmionen Racetracks, bei denen wir durch die Flexibilität der Schreibfelder schnell neue Strukturen designen können. An diesen Topologische Isolator Strukturen erlauben zirkulare Photogalvanische Effekt, empfindlich thermisch getriebene Spin Akkumulation (Spin-Nernst Effekt) nachzuweisen (T. Schumann, et al. arXiv:1810.12799). Dies war Teil des Schwerpunkprogramm SPP Topologische Isolatoren und des DAAD Austausch PPP Tschechien mit Eva Schmoranzerova, Charles University, Prague. Zentral ist die flexible, schnelle Strukturierung auch im Projekt im Schwerpunkprogramm SPP Skyrmionics mit Kiel, Prof. Jeffrey McCord, das wir dadurch 2018 einwerben konnten. Wir können bereits zeigen, wie die Spin-Torque Effekte Skyrmionen treiben, in sogenannte Skyrmion Racetracs. Ein weiteres Projekt in dem wir 2D Strukturierung anwenden, ist die Optimierung von THz Emission von spintronischen THz Emittern (T. Seifert al. Nature Photonics 10, 483–488 (2016), T. Kampfrath et al. Nature Nanotechnology 8, 256 (2013)). Hier strukturieren wir mit laserlithographie Teststrukturen und Masken direkt auf den spintronische THz Emitter, um Möglichkeiten erhöhter lateraler Auflösung mit dem spintronischen Emitter Prinzip umzusetzen. Magnonik und Spinwellen auf gekrümmten Oberflächen Im Rahmen des im Feb. 2016 abgeschlossenen DFG-Projekt zur Entwicklung von neuartigen, magnonischen Strukturen hat Frau Maria Mansurova in unserer Gruppe ihre Doktorarbeit abgeschlossen. Im Rahmen dieses Projektes fand im Jahr 2017-2018 ein einjähriger Gastaufenthalt von Prof. Jaroslaw Klos, Adam Mickiewicz Universität Poznan, Polen statt, finanziert durch das Alfried-Krupp Kolleg Fellowshipprogamm. Er ist führender Experte im Bereich der Berechnung von magnonischen Kristallen und es wurden gemeinsam magnonische Kristalle untersucht. In einem größeren Projekt mit dem Forschungszentrum Rossendorf, Dr. Helmut Schultheiß, Experte für Microfocus Brillouin Lichtstreuung (BLS), und dem Leibnitz Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung, Dr. Andy Thomas, der Atomic Layer Deposition (ALD) Verfahren dort entwickelt, versuchen wir gerade dreidimensionale Flächen für die Magnonik auszunutzen. Es gibt die Vorhersage, das auf gekrümmten Oberflächen Spinwellen Nichtreziprozität auftritt. Dies ist ein weites neues Forschungsfeld, das sich mit der 3D Lithografie auftut, und hier stehen wir erst am Anfang das Potential auszuschöpfen. Lithografie von 3D Gerüste für Herzzellen und 3D Gerüste für Blutplättchen Voll ausspielen kann man die Möglichkeiten der dreidimensionalen Strukturen zur Analyse oder Untersuchungen der Zellmechanik auf der Mikro- und Nanoskala. Ergebnisse zur Untersuchung des Einflusses von Säulen auf die innere Struktur der Zellen wurden im Rahmen dieser Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Mihalea Delcea, ZIK-HIKE und Institut für Biochemie Greifswald, bereits publiziert, hier noch konventionell strukturiert. Die Erstellung von 3D strukturierten Oberflächen mit Strukturgrößen auf der Nanoskala ist mit anderen Geräten nicht möglich. So ist es möglich, extreme Aspektverhältnisse von 1m Durchmesser und zum Beispiel mehreren 10m Länge zu erzeugen. Zur Zeit arbeiten wir in einem Projekt mit der Universitätsmedizin Göttingen im Rahmen Deutsches Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK) an Herzzellen Monolayern von gesunden und kranken Zellen auf strukturierten Substraten mit Prof. A. Greinacher, Dr. Raghav Palankar, Abteilung Transfusionsmedizin der Univeritätsmedizin Greifswald. Ziel ist an komplexen 3D Strukturen um die Nanobiomechanik von Blutplättchen zu erforschen, Teil des Sonderforschungbereichers SFB/Transregio 34 "Pathophysiology of staphylococci in the postgenomic era". Diese Strukturen bestehen aus freischwebenden Polymerdrähten, an denen sich die Blutplättchen ansammeln können. Lithografie von 3D Neuronen Gerüsten Die komplexesten Strukturen haben wir bisher in einem Projekt mit Prof. Robert Blick, Hamburg Universität Hamburg, Center for Hybrid Nanostructures, entwickelt, publiziert in Advanced Biosystems 3, 1800329 (2019). Kern der Idee ist, dass bei diesen reduzierten Neuronennetzwerken, die aus nur wenigen Neuronenzellen bestehen, die Verschaltung durch eine künstliche dreidimensionale Struktur gezielt vorgegeben werden kann „Neuron Scaffolds“. Dabei sollen zum Beispiel parallele Netzwerkstrukturen oder Ringstrukturen untersucht werden. Dies erlaubt die Signalprozessierung in Neuronenverbänden gezielt zu untersuchen deren Struktur beliebig vorgegeben werden kann.

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