DE102006043386A1

DE102006043386A1 - Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften einer nanoelektronischen Struktur und mit dem Verfahren hergestellte Struktur, sowie deren Verwendung

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Publication number: DE102006043386A1
Application number: DE102006043386A
Authority: DE
Inventors: Michael Mertig; Sebastian Taeger; Nitesh Ranjan
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften einer nanoelektronischen Struktur, die elektrisch leitende oder halbleitende Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm enthält, die mit dem Verfahren hergestellte Struktur, sowie deren Verwendung. Das Verfahren basiert auf der dielektrophoretischen Deposition von Metallionen und umfasst folgende Schritte: a.) Anordnen der nanoelektronischen Struktur zwischen mindestens zwei Elektroden, b.) Aufbringen einer Metallsalzlösung auf die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen, c.) Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden, so dass sich an Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen elektrische Felder ausbilden und wenigstens an den Fehlstellen Metall abgeschieden wird. Die Erfindung ist interessant zur Herstellung oder Reparat sowie für die Herstellung von Sensoren für Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften einer nanoelektronischen Struktur, die mit denn Verfahren hergestellte Struktur, sowie deren Verwendung. Die Erfindung ist interessant zur Herstellung oder Reparatur von elektronischen Bauteilen und Schaltkreisen, sowie für die Herstellung von Sensoren für Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung.
Alternativ zur herkömmlichen Lithographie, werden in der zukünftigen Mikro- oder Nanoelektronik auch Verfahren zum Einsatz kommen, bei denen der Aufbau von Strukturen, Bauelementen oder ganzen Schaltkreisen durch sich selbst steuernde Prozesse durch eine so genannte „bottum-up"-Assemblierung erfolgen wird. Dazu eignet sich entweder eine Steuerung über elektrische und/oder magnetische Felder, oder molekulare Erkennung, wie sie Grundlage der biologischen Strukturbildung ist. Der Vorteil der molekularen Erkennung ist die Komplexität der möglichen Strukturen, ihr Nachteil ist bisher, dass die geeigneten biologischen Materialien ungenügende elektronische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel erlaubt DNA durch die spezifische Hybridisierung komplementärer Basensequenzen den selbst gesteuerten Aufbau komplexer zweidimensionaler und dreidimensionaler Strukturen. Ob und wie es möglich sein könnte, aus DNA elektrisch leitende Strukturen aufzubauen, ist derzeit noch nicht endgültig geklärt [1].
Kohlenstoffnanoröhren [2] oder andere nanaoskopische Objekte, die als aktive Elemente in nanoelektronischen Bauelementen zum Einsatz kommen könnten, werden entweder durch Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung direkt am Substrat erzeugt [3], oder nach der Herstellung auf ein Substrat aufgebracht [4, 5]. Die Kontaktierung erfolgt entweder über herkömmliche Photolithographie oder über Elektronenstrahllithographie [6]. Photolithographie führt zu einer effektiven Größe des Bauelements im Mikrometer- und Submikrometerbereich, Elektronenstrahllithographie ist sehr langsam und für eine Serienproduktion von Bauelementen ungeeignet. Grundsätzlich können die Nanoröhren auf die Elektroden deponiert werden [4, 5], oder die Elektroden werden über die Nanoröhren geschrieben [3, 6]. Das erste Verfahren führt zu hohen Kontaktwiderständen, das zweite Verfahren ist sehr aufwendig und nicht für die Parallelprozessierung vieler Bauelemente geeignet.
Diese Prozesse, wie auch die resultierenden Strukturen mit Dimensionen auf der Nanometerskala, sind sehr anfällig auf das Auftreten von kleinsten morphologischen Defekten. Diese können entweder schon bei der Herstellung oder im Betrieb bedingt durch Elektromigration oder Überspannungen auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, dass Defekte und Unterbrechungen in nanoelektronischen Bauelementen und Strukturen, die zu Potentialsprüngen entlang von Strompfaden führen, zu reparieren und damit die Leitfähigkeit dieser Strukturen zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften einer nanoelektronischen Struktur, die elektrisch leitende oder halbleitende Nanodrähten und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm enthält, mit folgenden Schritten:

a) Anordnen der nanoelektronischen Struktur zwischen mindestens zwei Elektroden,
b) Aufbringen einer vorzugsweise wässrigen Metallsalzlösung auf die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen,
c) Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden, so dass sich an Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen elektrische Felder ausbilden und wenigstens an den Fehlstellen Metall abgeschieden wird.

Das Verfahren basiert auf der dielektrophoretischen Deposition und Reduktion von Metallionen. Polarisierbare Partikel, die in einer polarisierbaren Flüssigkeit suspendiert sind, können über inhomogene, elektrische Wechselfelder manipuliert werden. Abhängig vom Verhältnis der Polarisierbarkeiten von Partikel und Medium, bewegt sich das Partikel in Bereiche größerer oder kleinerer Feldstärke [7].
Dielektrophorese wurde bisher auf mikroskopische Objekte wie Bakterien, Zellen oder Polystyrolbeads und zur Sortierung von Kohlenstoffnanoröhren angewandt [8].
Wird an einem defekten Nanodraht oder an ein defektes nanoelektronisches Bauelement eine Wechselspannung angelegt, tritt am Ort des Defektes die größte Feldstärke auf. Diese wächst in Richtung der beiden stehen gebliebenen Zuleitungsdrähte an. Befindet sich über dem Bauelement eine Metallsalzlösung, wandern deshalb bei angelegtem Wechselfeld die Metallionen zu diesen Orten, werden reduziert und lagern sich dort an. Es wächst so ein metallischer Nanodraht, bis der Defekt im Bauelement überbrückt ist und damit das elektrische Feld verschwindet. Damit stoppt der Reparaturvorgang selbsttätig.
Dabei wurde überraschenderweise festgestellt, dass der elektrische Widerstand der nanoelektronischen Struktur nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich niedriger ist als der Widerstand einer defektfreien vorgefertigten nanoelektronischen Struktur. Woran das liegt, ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht geklärt.
Die dielektrophoretische Kraft ist proportional zum Volumen des abgeschiedenen Partikels. Theoretisch sollte es daher mit realisierbaren Prozessparametern nicht möglich sein, einzelne Ionen zu manipulieren. Dass dies trotzdem möglich ist, liegt vermutlich daran, dass die Ionen zusammen mit Gegenionen und einer Solvathülle eine als Ganzes polarisierbare Einheit bilden, die erheblich größer ist, als ein Ion alleine und deshalb entlang der elektrischen Feldgradienten bewegt werden kann.
Der Aufbau von Nanodrähten erfordert eine dem Problem genau angepasste Wahl des Abscheideparametersatzes bestehend vor allem aus Amplitude und Frequenz der Wechselspannung. Die Amplitude dieser Wechselspannung ist abhängig von der Impedanz der verwendeten Struktur samt Substrat.
Die Frequenz der Wechselspannung liegt bevorzugt im Bereich von 50 kHz bis 500 kHz, vorzugsweise 100 kHz bis 300 kHz.
Bevorzugt hat die Wechselspannung eine Peak-to-Peak-Spannung von 1 V bis 9 V, vorzugsweise 1 V bis 6 V, besonders bevorzugt 1 V bis 3 V.
Die Parameter der Wechselspannung, Frequenz und Amplitude hängen auch von der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Substrats ab. Bei sehr leitfähigen Substraten, wie z. B. hoch dotierten Silizium, sind größere Ampliduden und kleinere Frequenzen vorteilhaft. Zur Abscheidung ist eine kritische, minimale Feldstärke von 100 kV/m erforderlich.
Die Wechselspannung wird so gewählt, dass diese kritische Feldstärke nur durch die geometrische Feldüberhöhung am gewünschten Ort der Abscheidung, bzw. dem Defekt überschritten wird. Nach dem Beginn des Wachstums des die Fehlstelle überbrückenden Nanodrahtes soll die Feldstärke nur an dessen Spitze für eine weitere Abscheidung ausreichen, andernfalls wächst der Draht in die Breite und überschreitet die bevorzugten Dimensionen von 5-10 nm. Die Wechselspannung hat daher bevorzugt eine maximale Feldstärke von unter 0,4 MV/m, besonders bevorzugt 0,2 MV/m.
Die Spannung und die resultierende maximale Feldstärke werden vorteilhaft so gewählt, dass das im Bereich der Fehlstellen abgeschiedene Metall in seiner Dimension dem Durchmesser der Nanodrähten bzw. Nanoröhrchen entspricht, d. h. die Nanodrähten bzw. Nanoröhrchen haben zusammen mit dem abgeschiedene Metall einen Durchmesser von kleiner 20 nm, vorzugsweise 5 bis 10 nm.
Das Verfahren arbeitet vorteilhaft unter Umgebungsbedingungen, bei Raumtemperaturen auf einer Zeitskala von bevorzugt 1-5 Minuten.
Wird das Verfahren im Zusammenhang mit Kohlenstoffnanoröhren angewandt, eignet sich eine Palladiumsalzlösung besonders, da die Kohlenstoffnanoröhren gute Kontakte mit Palladium ausbilden. Des Weiteren kommen Salzlösungen alter hinreichend edlen Metalle in Betracht, z. B. Platin, Gold, Silber und Kupfer – außerdem Elementhalbleiter wie Silizium und Germanium. Besonders bevorzugt wird als Salz ein wasserlösliches Palladiumsalz, wie z. B. Palladiumacetat, eingesetzt. Vorteilhaft sind sehr niedrig dosierte Salzlösungen ausreichend für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Metallsalzlösung entfernt (z.B. durch Absaugen mit Hilfe eines Filterpapiers oder durch Spülen mit destilliertem Wasser) und die Struktur getrocknet (z. B. durch Stickstoff oder in einem Trockenschrank).
Die vorgefertigte Struktur aus Nanodrähten bzw. Nanoröhrchen weist vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst Bereiche schlechter Leitfähigkeit und gegebenenfalls Fehlstellen bzw. Unterbrechungen auf, die zu Diskontinuitäten im elektrischen Potentialverlauf entlang von Strompfaden führen. Diese Bereiche können insbesondere auch am Übergang zwischen verschiedenen Materialien bzw. an Kontakten auftreten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft auf den vor der Behandlung am schwächsten leitenden Stellen der Nanodrähte und ggf. den Fehlstellen am meisten Metall abgeschieden. Das Verfahren lässt sich vorteilhaft so steuern, dass nur die Leitfähigkeit der schwach leitenden bzw. Fehlstellen selektiv Metall abgeschieden wird. Das Verfahren steuert sich selbst, dadurch, dass an den Fehlstellen die größten Feldstärken auftreten. Ist das Wachstum eines Drahtes an der Fehlstelle in Gang gesetzt, entsteht dort die größte Feldstärke wodurch das Wachstum an der Spitze des Drahtes fortgesetzt wird, bis die Fehlstelle überbrückt ist, wodurch das Feld zusammenbricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit eine Art „kaltes Lötverfahren" auf der Nanoebene. Mit dem Vorteil, dass die Metallabscheidung bzw. das Metallwachstum automatisch an den schwächsten leitenden Stellen bzw. unterbrochene Stellen (Defektstellen) einsetzt und damit diese leitfähig bzw. leitfähiger macht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft eingesetzt werden:

• zur Verbesserung der Leitfähigkeit einer vorgefertigten Struktur aus Nanodrähten,
• zur Reparatur von Fehlstellen, insbesondere Unterbrechungen, in einer vorgefertigten Struktur aus Nanodrähten,
• zum elektrischen Kontaktieren von Nanodrähten oder Nanoröhren auf einem Substrat,
• zum Aufbau von elektrischen Verbindungen von mehreren Nanodrähten oder Nanoröhren untereinander.

Unter „Fehlstellen" im Sinne der Erfindung werden Stellen verstanden, in denen die Leitfähigkeit im vergleich zum Rest der elektronischen Struktur vermindert ist, z. B. im Kontaktbereich in dem einzelne Nanodrähte bzw. Nanoröhrchen aufeinander treffen oder mit der Elektrode in Kontakt stehen. Die Ursache der verminderten Leitfähigkeit kann vielfältig sein. Sie kann z. B. durch kleinste strukturelle Defekte oder Unterbrechungen hervorgerufen werden, die beim Betrieb oder der Herstellung der Nanostruktur bzw der Nanodrähte oder Nanoröhrchen selbst entstehen. Ursache können u. a. Elektromigration oder Überspannungen sein.
Die Nanodrähte haben einen Durchmesser von kleiner 20 nm, vorzugsweise kleiner 15 nm, besonders vorzugsweise 5 bis 10 nm.
Die Nanodrähte bestehen bevorzugt aus Elementhalbleitermaterialien, wie zum Beispiel Silizium oder Germanium, oder Verbindungshalbleitermaterialien wie Galliumarsenid, Zinksulfid, Zinkselenid oder Cadmiumtellurid. Metallische Nanodrähte bestehen bevorzugt aus Gold, Silber, Platin, Palladium, Kupfer. Nanoröhrchen bestehen bevorzugt aus einwandigen oder mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren oder aus Bornitridnanoröhren. Die Nanoröhrchen können mit lumineszierenden Halbleiterclustern (sogenannten Qanturn-Dots oder Q-dots) dekoriert sein. Diese bestehen bevorzugt aus Elementhalbleitermaterialien wie Silizium oder Germanium oder Verbindungshalbleitermaterialien wie Galliumarsenid, Zinksulfid, Zinkselenid oder Cadmiumtellurid. Die Nanodrähte sind in der elektronischen Struktur bevorzugt zwischen Elektroden aus Gold, Palladium, Kupfer, Aluminium, angeordnet. Die Elektroden sind vorzugsweise deutlich größer als die Nanodrähte, typisch sind Breiten zwischen 1 μm und 5 μm, Längen zwischen 10 μm und 100 μm und Höhen von 10-100 nm, sie kämmen aber auch selbst Dimensionen im Nanometerbereich aufweisen. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wechselspannung an die Nanodrähte bevorzugt über die Elektroden angelegt.
Die Nanodrähte sind dabei auf einem Substrat aufgebracht, welches eine nicht den elektrischen Strom leitende Oberfläche aufweist oder einen elektrischen Isolator darstellt. Als Substrat kommen beispielsweise Glas, an der Oberfläche oxidiertes Silizium, Keramik oder Kunststoffe in Frage.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anordnung zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften einer nanoelektronischen Struktur, enthaltend:

a) elektrisch leitende oder halbleitende Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm, die zwischen mindestens zwei Elektroden angeordnet sind,
b) eine Metallsalzlösung, die auf die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen aufgebracht ist,
c) wobei eine Wechselspannung an die Elektroden, angelegt ist, so dass sich an Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen elektrische Felder ausbilden und wenigstens an den Fehlstellen Metall abgeschieden wird.

Die Erfindung umfasst auch die Verwendung einer Dielektrophoresezelle, enthaltend mindestens zwei Elektroden und eine Metallsalzlösung zum Überbrücken von Fehlstellen in einer nanoelektronischen Struktur, die elektrisch leitende oder halbleitende Nanodrähten und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 mit enthält.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Nanoelektronische Struktur, enthaltend elektrisch leitende oder halbleitende Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm, in der an Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen Metall durch Dielektrophorese abgeschieden ist.
Typisch für dielektrophoretisch an den Fehlstellen abgeschiedene Drähte ist eine Ausrichtung entlang von Feldlinien, die sich zwischen vorstrukturierten Strukturen ausbilden. Außerdem ist ein dentritisches Wachstum charakteristisch für dielektrophoretisch erzeugte Strukturen. Bestandteil der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Struktur als Sensor für Zug- und Biegebelastung oder Druckspannung.
Wird das Substrat auf dem ein Nanodraht zwischen mikroskopischen Elektroden aufgebracht ist, durch äußere Krafteinwirkung verformt, wird auch der Nanodraht elastisch deformiert, was zu einer Änderung seiner Leitfähigkeit führt, die über einen äußeren Stromkreis gemessen werden kann. Besonders vorteilhaft ist, dass die Änderung der Leitfähigkeit auf Grund der nanoskopischen Dimension des Drahtes sehr empfindlich auf kleinste Deformationen reagiert.
Durch die Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung können im Nanodraht Fehlstellen entstehen, der Draht kann sogar reißen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbesserung der Leitfähigkeit kann vorteilhaft, wie oben beschrieben, zur Reparatur eines Nanodrahts in einem solchen Drucksensor eingesetzt werden und in ein Messverfahren integriert werden:
Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zur Messung einer Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung mit folgenden Schritten:

a) Anordnen elektrisch leitender oder halbleitender Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm zwischen mindestens zwei Elektroden,
b) Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen,
c) Anlegen einer Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung an die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen,
d) Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen, Berechnung der Differenz zu der gemessen Leitfähigkeit in Schritt b),
e) Aufbringen einer Metallsalzlösung auf die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen,
f) Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden, so dass sich an den an den durch die Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung gebildeten Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen elektrische Felder ausbilden und wenigstens an den Fehlstellen Metall abgeschieden wird.
d) Entfernen der Metallsalzlösung mit anschließendem Trocknen und wenigstens einmalige Wiederholung der Schritte b) bis f).

Die Messung der Leitfähigkeit erfolgt in der Regel über die Messung des elektrischen Widerstandes.
Vorteilhaft wird in dem erfindungsgemäßen Messverfahren der Sensor direkt nach der Messung wieder regeneriert und kann für weitere Messungen eingesetzt werden.
Die Erfindung wird mit Hilfe der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert ohne die Erfindung auf diese zu beschränken:
Ausführungsbeispiel 1:
Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reparatur von Kohlenstoffnanodrähten in einer elektronischen Struktur.
Kohlenstoffnanoröhren mit einem mittleren Durchmesser von 1,3 nm und Längen von 0,5-2 μm (hergestellt am Institut für Werkstoffwissenschaften der TU Dresden, O. Jost et al., J. Phys. Chem. B 106, 2875 (2002)) werden mittels Dielektrophorese zwischen zwei mikroskopische Palladiumelektroden (30 nm hoch, 10 in breit, 55 μm lang, ca. 2 μm Abstand, photolithographisch hergestellt am Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien) als leitfähiger Pfad deponiert. Als Substrat für die Elektroden dient ein Wafer aus n-dotiertem Si mit 80 nm durch thermische Oxidation erzeugtem SiO₂.
Zur Veranschaulichung der anschließenden Reparatur durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Kohlenstoffnanoröhren durch das Anlegen von großen Strömen (20-30 μA) durchtrennt.
1 veranschaulicht schematische die Reparatur defekter nanoelektronischer Strukturen durch das erfindungsgemäße Verfahren:

(a) Eine wässrige Palladiumsalzlösung 1 wird auf die Struktur mit den defekten Nanodrähten 2 aufgebracht. Die in der Lösung enthaltenen Metallionen sind als Punkte dargestellt. Die Palladiumsalzlösung wird durch Verdünnen einer gesättigten Palladiumacetatlösung (Merck) im Verhältnis 1 : 40 mit Wasser, vorbereitet. Die gesättigte Palladiumacetatlösung wird durch Ultraschallbehandlung von Pd-Acetat-Pulver in HEPES-Puffer (10 mmol/L, eingestellt auf pH 6,5 mit 1 mol/L NaOH-Lsg) erhalten (J. Richter, R. Seidel, R. Kirsch, M. Mertig, W. Pompe, J. Plaschke, H.-K. Schackert: Nanoscale Palladium Metallization of DNA, Advanced Materials 12, 507-510 (2000)).
(b) Es wird eine Wechselspannung mit einer Amplitude mit 2 Vpp bei einer Frequenz von 100 kHz zwischen den mikroskopische Metallelektroden 3 angelegt (ca. 2 μm Elektrodenabstand). Durch das elektrische Feld gelangen Metallionen zur defekten Stelle. Im Bereich der stärksten Feldlinien 4 werden Metalllionen reduziert und an der defekten Stelle deponiert.
(c) Das Wachstum des durch die Dielektrophorese gebildeten Nanodrahtes 5 endet von selbst nach circa 1 Minute, da nun die neu gebildeten Nanodrähte 5 von 5-20 nm Durchmesser die defekte Stelle überbrückt, wodurch das elektrische Feld zusammenbricht.

2 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (Zeiss Gemini 982), welche die erfolgreiche Reparatur von defekter Nanodrähten durch das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulichen.
2a) zeigt die unterbrochenen Nanoröhren 2 vor der Reparatur mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen den Palladiumelektroden 3.
2b) zeigt die in 2a) dargestellte Struktur nach der Metallabscheidung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ein metallischer Palladium-Nanodraht 5 hat die Lücke überbrückt.
Die Überprüfung der Reparatur mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt mittels Messungen des elektrischen Widerstands: Tabelle 1

Elektrische Widerstände: Nanoröhren vor dem Durchtrennen Durchtrennte Nanoröhren Reparierte Struktur

Probe 1 3 MOhm > 100 MOhm 55 kOhm

Probe 2 10 MOhm > 100 MOhm 35 kOhm
Dabei wird überraschenderweise festgestellt, dass der elektrische Widerstand der Kohlenstoffnanodrähte gegenüber dem Ausgangszustand um einen Faktor 50-500 verringert ist (Tabelle 1).
Ausführungsbeispiel 2:
Dieses Beispiel veranschaulicht die Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in ein Verfahren zur Herstellung einer nanoelektronischen Struktur.
Zwischen zwei mittels optischer Lithographie hergestellte Goldelektroden (30 mit hoch mit darunter liegender Chromhaftschicht der Dicke von ca. 5 nm, 10 μm breit, 55 μm lang, 55 μm Abstand) werden lithographisch am Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien kreisförmige Goldinseln aufgebracht (30 mit hoch mit darunter liegender Chromhaftschicht der Dicke von ca. 5 nm, Durchmesser 3 μm, lichter Abstand 10 μm, quadratisches Feld von 5 × 5 Inseln).
Als Substrat für die Elektroden dient ein Wafer aus n-dotiertem Si mit 80 nm durch thermische Oxidation erzeugtem SiO₂.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden diese Goldinseln untereinander und mit den Elektroden durch Pd-Nanodrähte miteinander Verbunden:

a) Aufbringen von 15 μl einer Palladiumsalzlösung identisch der aus Ausführungsbeispiel 1,
b) Anlegen einer Wechselspannung von 300 kHz und 10 V_pp Amplitude für 10 min.

Ausführungsbeispiel 3:
Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung von sehr dünnen (Durchmesser 5-10 mm) Pd-Nanodrähten und die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reparatur von metallischen Nanodrähten in einer elektronischen Struktur.
Fünfzehn μl einer Palladiumsalzlösung identisch der aus Ausführungsbeispiel 1, werden auf eine photolithographisch hergestellte Struktur mit Fingerelektroden aus Gold appliziert. Die Elektroden sind 30 nm hoch, 3 μm breit und 5 μm von einander entfernt. Anschließend wird eine Wechselspannung von 300 kHz und 2 V_PP wird für 2-5 Minuten an die Elektroden angelegt. Durch das Anlegen der Spannung wachsen Pd-Nanodrähte zwischen den Elektroden. Die so durch Dielektrophorese hergestellten sehr dünnen Nanodrähte weisen typischerweise Verzweigungen auf. Die Nanodrähte (Durchmesser 5-10 nm) zeigen eine Ohm'sche Charakteristik mit einem Widerstand von 25 kOhm oder weniger.
3 zeigt die rasterkraftmikroskopische Aufnahme eines wie oben beschrieben hergestellten Pd-Nanodrahts mit einem Durchmesser von 5-10 nm, 5 μm Elektrodenabstand.
4 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines wie oben beschrieben hergestellten Pd-Nanodrahts mit einen Durchmesser von 5-10 nm. Die Messkurve ist im gesamten Messbereich von –9 bis +9 Millivolt linear, das heißt, das Widerstandsverhalten hat Ohm'schen Charakter.
Zur Veranschaulichung der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reparatur von metallischen Nanodrähten in einer elektronischen Struktur werden die wie oben beschrieben hergestellten Pd-Nanodrähte zunächst durch große Ströme von 50-100 μA zerstört. Anschließend werden die Drähte durch erneutes Abscheiden von Palladium an den Fehlstellen repariert:
Es werden 5 μl Palladiumsalzlösung (identisch der aus Ausführungsbeispiel 1) auf die metallischen Nanodrähte appliziert. Anschließend wird eine Wechselspannung (100 kHz, 2 Vpp) für 1 Minute angelegt.
Die Reparatur war genauso erfolgreich, wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.
Weitere Anwendungsbeispiele:
Wenn immer es möglich ist, elektrisch leitende Nanoobjekte zwischen mikroskopische Elektroden zu deponieren, ermöglicht dieses Verfahren ein selbstgesteuertes Kontaktieren der Nanoobjekte.
5 zeigt eine Übersicht über Anwendungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren.
5a) zeigt die Reparatur einer unterbrochenen nanoskopischen Leiterbahn 2, die mikroskopische Elektroden 3 verbindet, mit einem selbstassemblierten Nanodraht 5 (entsprechend Ausführungsbsp. 1 und 3).
5b) zeigt das Kontaktieren eines funktionellen nanoskopischen Objektes 6 mit Hilfe selbstassemblierter metallischer Nanodrähte 5 (analog Ausführungsbsp. 2).
5c) zeigt den Anschluss mehrerer funktioneller nanoskopischer Objekte 6 und deren Verbindung untereinander mit Hilfe selbstassemblierter metallischer Nanodrähte 5 (entsprechend Ausführungsbsp. 2).
6 veranschaulicht die Nutzung der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Struktur als Sensor für Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung.
Auf dem Substrat 7 (ein Wafer aus n-dotiertem Si mit 80 nm SiO₂ wie in Ausführungsbeispiel 1 ist ein gemäß Ausführungsbeispiel 3 hergestellter selbstassemblierter, metallischer Nanodraht 5 zwischen mikroskopischen Palladiumelektroden 3 (Dimensionen gemäß Ausführungsbeispiel 1) aufgebracht.
Das Substrat wird durch einen Druckunterschiedes (dabei wirkende Kräfte angedeutet durch die dicken Pfeile in 6) zwischen den beiden Seiten und der Mitte des Substrates, verformt. Durch die Verformung des Substrats 1 wird auch der Nanodraht 5 elastisch deformiert (angedeutet durch den dünnen Doppelpfeil in 6), was zu einer Veränderung seiner Leitfähigkeit führt, die über einen äußeren Stromkreis 8 gemessen wird. Besonders vorteilhaft ist, dass die Änderung der Leitfähigkeit auf Grund der nanoskopischen Dimension des Drahtes sehr empfindlich auf kleinste Deformationen reagiert.
Durch die Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung können im Nanodraht 5 Fehlstellen entstehen bzw. der Nanodraht 5 kann reißen. Diese Fehlstellen bzw. der Riss im Nanodraht wird wie in Ausführungsbeispiel 3 beschrieben durch Dielektrophorese repariert.
Literaturverzeichnis:

[1] R.G. Endres et al. Rev. Mod. Phys. 76, 195 (2004).
[2] R. Saito, M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes, World Scientific Publishing Company, 1998.
[3] A. Javey et al, Nano Lett. 4, 447 (2004).
[4] S. J. Tans et al., Nature 393, 49 (1998).
[5] R. Krupke et al., Nano Letters 2003, 3, 1019-1023.
[6] K. H. Choi et al., Surface Science 2000, 462, 195-202.
[7] H. A. Pohl, Dielektrophoresis, Cambridge University Press, 1978.
[8] R. Krupke et. al., Science 2003, 301, 344-347.

Claims

Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften einer nanoelektronischen Struktur, die elektrisch leitende oder halbleitende Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 mit enthält, mit folgenden Schritten: a.) Anordnen der nanoelektronischen Struktur zwischen mindestens zwei Elektroden, b.) Aufbringen einer Metallsalzlösung auf die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen, c.) Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden, so dass sich an Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen elektrische Felder ausbilden und wenigstens an den Fehlstellen Metall abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eine Frequenz von 50 kHz bis 500 kHz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung für einen Zeitraum von 1 bis 5 Minuten angelegt wird.
Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eine Spannung von 1 bis 9 V aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallsalzlösung eine Palladiumsalzlösung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, Bornitrid, Gold, Silber, Platin, Palladium, Kupfer, Silizium, Germanium bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallsalzlösung anschließend entfernt wird und die Struktur getrocknet wird.
Anordnung zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften einer nanoelektronischen Struktur, dadurch gekennzeichnet, a.) dass die nanoelektronische Struktur mit elektrisch leitenden oder halbleitenden Nanodrähten und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm zwischen mindestens zwei Elektroden angeordnet ist, b.) dass sich auf den Nanodrähten und/oder Nanoröhrchen eine Metallsalzlösung befindet und c.) dass die Elektroden mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, so dass sich an Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen elektrische Felder ausbilden und wenigstens an den Fehlstellen Metall abgeschieden wird.
Verwendung einer Dielektrophoresezelle, enthaltend mindestens zwei Elektroden und eine Metallsalzlösung zum Überbrücken von Fehlstellen in einer nanoelektronischen Struktur, die elektrisch leitende oder halbleitende Nanodrähten und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm enthält.
Nanoelektronische Struktur, enthaltend elektrisch leitende oder halbleitende Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm, in der an Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen Metall abgeschieden ist.
Nanoelektronische Struktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Palladium ist.
Verwendung einer nanoelektronischen Struktur nach Anspruch 10 oder 11 als Sensor zur Messung einer Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung.
Verfahren zur Messung einer Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung mit folgenden Schritten: a.) Anordnen elektrisch leitender oder halbleitender Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von kleiner 20 nm zwischen mindestens zwei Elektroden, b.) Messung der Leitfähigkeit der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen, c.) Anlegen einer Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung an die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen, d.) Messung der Leitfähigkeit der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen, Berechnung der Differenz zu der gemessen Leitfähigkeit in Schritt b), e.) Aufbringen einer Metallsalzlösung auf die Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen, f.) Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden, so dass sich an den an den durch die Zug-, Biegebelastung oder Druckspannung gebildeten Fehlstellen der Nanodrähte und/oder Nanoröhrchen elektrische Felder ausbilden und wenigstens an den Fehlstellen Metall abgeschieden wird, g.) Entfernen der Metallsalzlösung mit anschließendem Trocknen und wenigstens einmalige Wiederholung der Schritte b) bis f).