Metall-Nanostrukturen in quasiregulärem porösen Silizium

Ein wesentliches Anliegen des Projektes ist es, Halbleiter und Ferromagnetika zu vereinen um Materialien herzustellen, die bei Raumtemperatur gewünschte physikalische Eigenschaften aufweisen. Dies kann durch nanostrukturierte Halbleiter/Metall-Hybridsysteme erreicht werden. Aufgrund seiner ausgeprägten Dominanz in der heutigen Micro- und Nanotechnologie und seiner besonders tauglichen nanostrukturierten Eigenschaften wird Silizium als Basismaterial bevorzugt. Durch Anodisieren eines Silizium Wafers mit den geeigneten Prozessparametern erhält man poröses Silizium (PS), das eine quasi-reguläre Porenanordnung mit senkrecht zur Oberfläche gewachsenen Kanälen aufweist. Poren mit hohem Aspektverhältnis (~ 1000) und zwischen 30 und 100 nm einstellbarem Durchmesser werden durch geeignete Wahl der Stromdichte und sorgfältiger Vorgabe der elektrolytischen Parameter erreicht. Um Nanocomposite zu erhalten, werden während eines kathodischen Abscheidungsprozesses Übergangsmetalle (Ni, Co, Fe, Cu) und einige ihrer Legierungen in die poröse Siliziummatrix eingelagert. Magnetische Eigenschaften wie Koerzitivität und Squareness der Hysterese des (Ni-, Co-, NiCo-, Fe-)-PS Metall/Halbleiter Hybrids sind über die Morphologie der porösen Matrix, die elektrochemischen Abscheidungparameter und die Wahl des abgeschiedenen Metalls einstellbar. Die Proben werden mittels SQUID-Magnetometrie, FTIR-Spektroskopie, magnetooptischer Methoden sowie Raster-Elektronenmikroskopie untersucht. Zunächst wird im Rahmen dieses Projekts die Erweiterung der Morphologie der momentan hergestellten mesoporösen Strukturen angestrebt, um einen breiten Morphologiebereich von nanostrukturierten Matrizen zu erhalten, die als Basis für vielfältige, maßgeschneiderte magnetischen Eigenschaften dienen. Die Erweiterung bedeutet nicht nur Macroporen im Mikrometerbereich, sondern auch mehrschichtige PS-Strukturen mit unterschiedlichen Porositäten innerhalb einer Probe, sowie doppelseitig geätzte Wafer. Anschließend wird unter definierten Bedingungen entweder elektrochemisch ein Übergangsmetall in die hergestellten PS-Strukturen eingelagert oder stromlos magnetische Nanopartikel eingebracht. Nicht nur wegen der magnetischen Eigenschaften sondern auch hinsichtlich ihrer guten Einsetzbarkeit in der Nanobiologie und Nanomedizin sollen insbesondere Fe und Magnetit eingebracht werden. Bisher konnte an Ni/PS und Co/PS Nanocompositen beobachtet werden, dass zur magnetischen Charakteristik des Hybridmaterials stets ein temperaturabhängiges, neues nicht-sättigendes Verhalten bei hohen Magnetfeldern, weit oberhalb der Sättigungsmagnetisierung der eingelagerten Metalle gehört. Da dessen Auftreten bisher noch nicht zufriedenstellend gedeutet werden kann, bedarf dies einer Klärung. Weiters soll die Korrelation zwischen Morphologie der PS-Matrizen als auch der eingelagerten Metallstrukturen (hauptsächlich mittels Raster- Elektronenmikroskopie untersucht) mit den magnetischen Charakteristika auch in Verbindung mit Transport- und Magnetowiderstandsmessungen sowie optischen, magnetooptischen und MFM Untersuchungen erarbeitet werden. ESR und FMR Messungen werden angewendet, um Informationen über den Grenzbereich zwischen Si/SiOx /Metall zu erhalten. Schließlich soll in einem Experiment die Injektion spinpolarisierter Elektronen von einem ferromagnetischen Metall in Silizium erfolgen. Hiefür ist eine definierte Oxidschicht an den Porenwänden als Tunnelbarriere aufzuwachsen, sowie die Probenoberfläche zur Metallisierung zu glätten.

Das Projekt Metall-Nanostrukturen in quasiregulärem porösen Silizium behandelte die Herstellung von porösem Silizium mit gerichteten Poren und deren Befüllung mit einem ferromagnetischen Material. Das Befüllen der Poren mit unterschiedlichen Metallen konnte so gut kontrolliert werden, dass die hergestellten Nanoverbundstoffe gewünschte magnetische Eigenschaften aufweisen. Das Schlüsselthema war die Kombination eines nanostrukturierten Halbleiters mit magnetischen Nanostrukturen innerhalb eines Materialverbundes um ein Kombinationsmaterial zu erhalten, welches ferromagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur aufweist. Außerdem ist das Material mit den Prozessen der heutigen Mikrotechnologie kompatibel. Derartige Materialkombinationen könnten etwa für magnetooptische Bauteile, Sensoren oder biomedizinische Anwendungen herangezogen werden. Wesentlich war die Entwicklung der Prozesse quasiregulärer Porenanordnungen mit unterschiedlicher Struktur (50 100 nm), sowie die Einlagerung maßgeschneiderter magnetischer Nanopartikel mit unterschiedlicher Größe und Form. Diese Experimente brachten Erkenntnisse über den Ablagerungsprozess von Metallen in Meso- bzw. Makroporen. Ebenso wurden die magnetischen Eigenschaften der erzeugten regelmäßigen Anordnungen von Nanopartikeln bzw. Nanodrähten detailliert untersucht. Spezielles Augenmerk wurde dabei auf die magnetische Kopplung zwischen den eingelagerten Nanostrukturen gelegt. Weiters konnte der Ablagerungsprozess soweit weiterentwickelt werden, dass Ni-Nanopartikel weniger Nanometer Größe an den Porenwänden abgelagert werden konnten, sodass sie quasi Metallröhrchen bildeten. Die enge gegenseitige Anordnung der Partikel führt zu magnetischen Wechselwirkungen, und einem ferromagnetischen Verhalten der Proben. Der Ablagerungsprozess und die resultierenden magnetischen Eigenschaften des gesamten Verbundmaterials werden durch verästeltes Porenwachstum (Dendriten) beeinflusst. Daher wurde eine neuartige Ätztechnik mittels Magnetfeld zur Porenformierung eingesetzt um die Rauigkeit der Porenwände zu verringern. Dadurch konnten die magnetischen Eigenschaften der Proben nach der Metallbefüllung signifikant beeinflusst werden, sodass diese vergleichsweise hartmagnetisch wurden. Wesentlich war weiters die Einbringung superparamagnetischer Eisenoxyd Nanopartikel (4 - 10 nm) in die Poren des Trägermaterials. Dabei konnten Resultate bzgl. magnetischer Wechselwirkungen der Partikel erzielt werden. Durch Abstimmung der Partikelfüllung innerhalb der Poren und durch Variation der Struktur des Trägermaterials konnte die sogenannte Blockingtemperatur (Übergang zwischen superparamagnetischem Verhalten und magnetisch geblocktem Zustand) beeinflusst werden und Werte weit unterhalb der Raumtemperatur erreicht werden. Da beide verwendeten Materialien (poröses Silizium und Eisenoxyd) biokompatibel sind können diese Ergebnisse als besonders interessant für die Verwendung des Nanoverbundes für biomedizinische Anwendungen, wie z.B. magnetisch geführter Medikamententransport, betrachtet werden. Durchgeführte Zytotoxizitätsuntersuchungen dieses Nanoverbundes zeigten äußerst ermutigende Ergebnisse.