Nano-Säulen als Basis für präzisere Sensoren

Schematische Darstellung der schwingenden Nano-Säule (Illustration: tuwien.at)

Wien (pte027/23.05.2023/12:30) - Forscher der Technischen Universität Wien ( https://www.tuwien.at ) nutzen Säulen im Nanometerbereich für Hochpräzisionsmessungen, weil sie vibrieren, wenn sie angeregt werden. Die Frequenz, mit der sie das tun, ändert sich, wenn äußere Kräfte mechanischer, elektrischer oder magnetischer Art einwirken - seien sie auch noch so gering. Die Frequenzänderung ist ein Maß für die Größe der Kräfte.

Hochfrequenter Schall erzeugt

Die Ingenieure haben solche Vibrationen auf eine neue und viel elegantere Art als bisher gesteuert und auch registriert. Hierfür werden weder Elektroden noch optische Systeme, sondern akustische Oberflächenwellen verwendet, wie man sie unter anderem aus der Erdbebenforschung kennt. Säulenartige Nanostrukturen sind auf einem Chip befestigt, dessen Oberfläche Schallwellen leitet - und diese interagieren mit den Nano-Säulen. Der Schall wird mittels piezoelektrischer Elemente in die Oberfläche des Chips eingeleitet.

"Wenn man die Schwingung von Nano-Säulen untersuchen wollte, hat man meistens Elektroden direkt in der Nähe dieser Säulen platziert", so Hendrik Kähler, der im Team von Silvan Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme an seiner Dissertation arbeitet. "Das hat aber Nachteile: Die Elektroden nehmen einen Großteil des zu Verfügung stehenden Platzes auf dem Chip ein, was das Platzieren weiterer Säulen auf demselben Chip deutlich erschwert." Ein großer Teil des Chips werde daher für Hilfsstrukturen verschwendet, die zur Messung selbst gar nichts beitragen.

Bewegungen mit großen Folgen

Eine andere Möglichkeit ist, Schwingungen optisch auszulesen wie bei Rasterkraftmikroskopen: Ein Laserstrahl wird auf eine vibrierende Spitze gerichtet und von dort reflektiert. Eine winzige Bewegung der Spitze lenkt den Laserstrahl deutlich ab, sodass eine Messung möglich ist. Allerdings sind dazu relativ große und komplexe optische Elemente nötig.

"Die akustische Oberflächenwellen werden dagegen direkt auf dem Chip erzeugt und ermöglichen die Messung freistehender Nanostrukturen. Es gibt viele Ideen, wie man das für die Messtechnik nutzen könnte", sagt Kähler. Etwa zur Vermessung extrem kleiner Partikel. Landen sie auf den Nano-Säulen, ändert sich deren Resonanzfrequenz - und zwar umso stärker, je schwerer sie sind. So ließe sich die genaue Zusammensetzung der Partikel in einer Probe untersuchen. Weil auf dem Chip kein Platz vergeudet wird, könnte man dort zahlreiche Nanosäulen dicht beieinander platzieren. Die Präzision von Messungen würde erhöht.

(Ende)