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Dr. Wolfgang Hansal – Abscheidung funktioneller Nanowires über elektrochemische Pulsabscheidung

Die elektrochemische Abscheidung unterschiedlicher Nanowires ist Inhalt zahlreicher aktueller Forschungsarbeiten und im Fokus der Arbeiten von Forschungsgruppen weltweit. Nanowires sind feinste Drähte mit einem Durchmesser von nur 70 bis 120 Nanometer und einer Länge von etwa 2 bis 20 Mikrometer. Während sich diese Systeme noch vor allem im Entwicklungsstadium befinden, werden Einsatzgebiete vor allem in der Medizin, der Mikroelektronik, der Datenspeicherung und der Batterietechnik geprüft.

Im Allgemeinen werden nach derzeitigem Stand der Technik auf Siliziumwafer aufgebrachte Aluminiumschichten mikro-/nano-porosiziert. In diese Poren hinein werden dann über galvanische Verfahren die Nanowires abgeschieden. Schlussendlich wird die Aluminiummatrix vom Wafer abgetrennt und aufgelöst und so die Herstellung der freien Nanowires vollzogen. Der Füllgrad und die Gleichmäßigkeit der Längenverteilung bestimmen über Qualität und Ausbeute an Nanowires.

Im Falle von legierungsbasierten Systemen ist zusätzlich die Gleichmäßigkeit der Legierungszusammensetzung (sowohl über die Länge des einzelnen Nanowires als auch über die Waferfläche) kritisch. Gleichstromabscheidung limitiert die effiziente Abscheidung der Nanowires, vor allem was den Füllgrad in den Nanoporen und die Gleichmäßigkeit der Füllung und der Legierungszusammensetzung über die Fläche des Substrats betrifft. Umkehrpulsabscheidung (Reverse Pulse Plating) hingegen, erlaubt es, diese Limitierungen zu überwinden. Dies erfordert jedoch ein gezieltes, auf elektrochemischen Grundlagen basiertes Vorgehen bei der Prozessentwicklung.

Dieser Vortrag beinhaltet die Ergebnisse eines erfolgreichen internationalen Forschungsprojekts (FP7-ICT-2011-C, MANAQA) und beschreibt dabei einen technologischen Durchbruch auf dem Gebiet der bio-funktionalisierten Nanowires. Der Fokus liegt dabei auf der galvanischen Abscheidung der Nanowires. Zur Anwendung wurden Nanowires aus magnetischen Legierungen (weich- und hartmagnetisch) benötigt. Dies erforderte im ersten Schritt eine entsprechende Badentwicklung und in Folge die Entwicklung des kompletten Prozesses zur Pulsabscheidung der Legierungen, aufbauend auf umfangreichen elektrochemischen Messungen zur Erarbeitung der Basisdaten und zur Aufklärung der Reaktionsmechanismen zur Legierungsbildung.

Schlussendlich wurden aus den entwickelten Elektrolytsystemen vor allem weichmagnetische bi- und ternäre Nickel- und Kobaltlegierungen in Form von Nanowires abgeschieden. Die Qualität und Gleichmäßigkeit dieser Abscheidungen wurde metallografisch unter dem SEM-EDX analysiert und in Zusammenhang mit den angelegten Abscheide- und Pulsparametern gebracht. Es zeigte sich dabei, dass die angelegte Pulssequenz den größten Einfluss auf die Abscheidung hat. So kann die Legierungszusammensetzung über Variation der Pulsparameter gezielt eingestellt werden.

Neben den elektrischen Einflussgrößen hat vor allem die Elektrolytzusammensetzung einen wesentlichen Effekt auf die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Legierungsabscheidung. Die magnetischen Eigenschaften der Nanowires und deren Reproduzierbarkeit wurden unter Berücksichtigung des Anwendungsfalles untersucht und der Prozess abgestimmt. Der entwickelte Prozess zur Pulsabscheidung funktioneller magnetischer Nanowires erwies sich als robust und zuverlässig und lieferte Nanowires in der geforderten hohen Güte und Reproduzierbarkeit.