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Nanofotomaske aus Protein
Regelmässige Halbleiterstrukturen im Nanobereich (Milliardstel Meter) sind mit heutigen Lithographietechniken kaum mehr zu erzeugen. Jetzt haben sich Forscher der University of Colorado in Boulder die automatisch regelmässige Anordnung des Hüllproteins eines sogenannten Archaebakteriums zu Nutzen gemacht, um eine präzise Anordnung von nur 10 Nanometer grossen Metallclustern auf einer Siliziumscheibe zu erzeugen. Auf diese Weise könnten neben Halbleitern auch ultradichte magnetische Speichermedien und höchstauflösende Displays hergestellt werden.
Die Hüllproteine von Sulfolobus Acidocaldarius, einem bakterienartigen Lebewesen, das in heissen, säurehaltigen Schwefelquellen gedeiht, schützen als sphärische Aussenhülle den Einzeller vor den unwirtlichen Einflüssen seines Lebensraums. Sie können mit herkömmlichen gentechnischen Verfahren einfach, in grossen Mengen und damit billig produziert werden.
Um die Sulfolobushülle als Ätzmaske für die Halbleiterherstellung gebrauchen zu können, wird die in der Natur regelmässige kugelförmige Proteinanordnung mittels Ultraschall aufgebrochen. Danach werden die Eiweisse einfach flach auf dem Halbleiter ausgebreitet, wo sie sich automatisch wieder regelmässig in der Ebene anordnen. Durch die Änderung von der drei- in eine zweidimensionale Anordnung entstehen zwischen den einzelnen Proteinen immer genau gleich grosse und gleichmässig verteilte Löcher. Diese sechskantigen Poren haben einen Durchmesser von 18 Nanometern und eine Gitterkonstante von 22 Nanometern. Durch ein besonders energiearmes Verfahren können dann mittels Spannungsregulierung Löcher von kontrollierter Grösse in das Siliziumsubstrat geätzt werden. In diesen ordnen sich beispielsweise Titanatome in identischen Clustern selbständig an.
Bahnbrechend für die Verwendung von selbstanordnenden Proteinen als Lithographiemasken war die Entwicklung der energiearmen Ätztechnik durch die US-Forscher. Diese verhindert, dass eine im Nanobereich störende, 10 Nanometer dicke, amorphe Siliziumschicht unter den Proteinen entsteht. Die Forscher erreichen dies, indem sie mit energiearmen Elektronen die chemische Reaktion zwischen Wasser und Silizium katalysieren.
Die US-Wissenschaftler konnten mit der Methode auch schon magnetische Blei/Eisen-Cluster-Arrays herstellen, wie sie für die Datenspeicherung gebraucht werden können. Ein einzelnes Bit würde so auf 10 Nanometern Platz finden. In etwas fernerer Zukunft sind aber auch höchstauflösende sogenannte Elektrolumineszenz-Displays denkbar. Bei diesen werden die verschiedenen Farben durch die elektrische Anregung verschieden grosser Metallcluster erzeugt.