Erdbeben als Vorbilder für neuartige Präzisions-Sensoren
Neuartige Präzisions-Sensoren lassen sich von unerwarteter Seite inspirieren: Erdbeben. Forscher an der TU Wien haben eine innovative Methode entwickelt, bei der winzige Nano-Säulen mithilfe akustischer Oberflächenwellen gesteuert und gemessen werden können.
Durch präzise Fokussierung von Oberflächenwellen auf eine einzelne Nano-Säule wird eine bemerkenswerte Dualität erreicht.
Foto: TU Wien / Armin Muhamedagić
Forschende der TU Wien haben eine innovative Methode entwickelt, um Nano-Säulen in winzigen Sensoren zu steuern und zu messen. Anstelle herkömmlicher Elektroden oder optischer Systeme setzen sie akustische Oberflächenwellen ein, ähnlich wie die, die bei Erdbeben auftreten. Diese Nanostrukturen schwingen mit hoher Frequenz, so wie Grashalme im Wind. Die Frequenz der Nanostrukturen kann aus verschiedenen Gründen variieren, beispielsweise wenn sich Partikel an ihnen anlagern oder elektrische und magnetische Kräfte auf sie einwirken.
Vibrationen kontrollieren und messen
Die Forschende haben nun eine elegante Lösung entwickelt, um diese Vibrationen zu kontrollieren und zu messen. Sie nutzen akustische Oberflächenwellen, die entlang der Oberfläche eines Chips geleitet werden, auf dem die säulenartigen Nanostrukturen angebracht sind. Die Schallwellen interagieren dabei mit den Nano-Säulen. Diese innovative Technik wurde kürzlich im angesehenen Fachjournal „Nano Letters“ vorgestellt.
„Wenn man bisher die Schwingung von Nano-Säulen untersuchen wollte, hat man meistens Elektroden direkt in der Nähe dieser Säulen platziert“, erklärt Hendrik Kähler, der Erstautor der aktuellen Publikation, der im Forschungsteam von Prof. Silvan Schmid (Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme, TU Wien) an seiner Dissertation arbeitet, in einer Pressemitteilung. „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 beträchtlicher Anteil des Chips wird für Hilfsstrukturen verwendet, die keinen Beitrag zur eigentlichen Messung leisten. Zusätzlich können solche Elektroden die Messungen auch negativ beeinflussen.
Eine alternative Methode besteht darin, die Schwingungen optisch zu erfassen, ähnlich wie es häufig bei Rasterkraftmikroskopen angewendet wird. Ein Laserstrahl wird auf eine vibrierende Spitze gerichtet und von dort reflektiert. Selbst eine geringfügige Bewegung der Spitze kann zu einer deutlichen Ablenkung des Laserstrahls führen, und die kann gemessen werden. Allerdings erfordert diese Methode den Einsatz relativ großer und komplexer optischer Elemente.
Wechselwirkung von Nanostrukturen mit akustischen Oberflächenwellen
Kähler forscht seit Jahren intensiv an einer ganz anderen Methode: Hier geht es um die Wechselwirkung von kleinen, säulenartigen Nanostrukturen mit akustischen Oberflächenwellen. Diese akustischen Wellen können durch piezoelektrische Anregung erzeugt werden. Im Gegensatz zu tief ins Material des Chips eindringenden Wellen breiten sich diese akustischen Wellen an der Oberfläche aus. Durch diese Methode kann Energie von der akustischen Welle auf die Nano-Säule übertragen werden, wodurch sie in Schwingung versetzt wird. Gleichzeitig ermöglicht die Messung der gestreuten Welle Rückschlüsse auf den Schwingungszustand der Nano-Säule und die Bestimmung ihrer Resonanzfrequenz.
Methode ohne elektrische und optische Ansätze
„Damit haben wir nun also eine Methode ohne die Nachteile der bisherigen elektrischen und optischen Ansätze. Die akustische Oberflächenwellen werden direkt auf dem Chip erzeugt und ermöglichen die Messung freistehender Nanostrukturen“, kommentiert Hendrik Kähler. „Es gibt viele Ideen, wie man das für die Messtechnik nutzen könnte.“
Mit Hilfe solcher Nano-Säulen könnte beispielsweise die Messung kleiner Partikel realisiert werden. Wenn ein Partikel auf den Nano-Säulen abgelagert wird, verändert sich deren Resonanzfrequenz, wobei die Veränderung umso größer ist, je schwerer das Partikel ist. Dadurch könnte die genaue Zusammensetzung von Partikeln in einer Probe untersucht werden. Diese neue Technik könnte auch in der Rasterkraftmikroskopie Anwendung finden.
„Wald“ von Nano-Säulen
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die Technik die Platzierung einer großen Anzahl von Nano-Säulen dicht nebeneinander ermöglicht und es ermöglicht, die Vibrationen aller Säulen gleichzeitig elektrisch anzuregen und auszulesen. Anstatt nur einiger weniger Säulen auf einem großen Chip zu haben, würde man einen dichten „Wald“ von Nano-Säulen haben. Somit besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein Partikel, das detektiert werden soll, auf eine dieser Säulen trifft. Dies führt zu einer dramatischen Steigerung der Effizienz des Messsystems. In dieser Richtung wird bereits in der Forschungsgruppe gearbeitet.
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