Nanoresonatoren für hochauflösende Massendetektion
Fortschritte in der Nanotechnologie haben die Miniaturisierung von Mikrocantilevern ermöglicht, die auf Detektion einer Änderung der Oberflächenbelastung als Reaktion basieren. Diese sind bei Sensoranwendungen weit verbreitet. Aufnahme oder Aufbringung von Verbundstoffen auf schwingende Cantilever in Nanometergröße kann durch Überwachung von Änderungen der Resonanzfrequenz aufgrund der höheren Masse detektiert werden. Die Strukturen des Nanoresonators werden mithilfe einer zwischen dem schwingend gelagerten Cantilever und der feststehenden Parallelelektrode angelegten Wechsel-/Gleichspannung in seitliche Schwingungen versetzt. Änderungen der Cantilever-Resonanzfrequenz werden als Kapazitätsänderung beobachtet. Als Ergebnis der im Rahmen des NANOMASS II-Projektes verfolgten technischen Innovationen wurde ein vollständiges Ein-Chip-System (System-on-Chip, SoC) entwickelt, um die durch externe Anschlusspfade und Drähte hervorgerufene schädliche Kapazität zu vermeiden. Komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Schaltkreise für Erregung und Auslesen der Cantileverauslenkung wurden durch Verbindung herkömmlicher CMOS-Technologie mit neuartigen Nanofertigungsmethoden in Cantilever integriert. Ultradünne Chrom-Nanocantilever wurde mittels Elektronenstrahllithografie unter Verwendung von Widerstandsmaterial in einer doppelschichtigen Maske auf einen Siliziumchip aufgebracht. Nach dem Abheben wurden die Nanocantilever durch reaktives Ionenätzen aus dem Substrat gelöst. Die gefertigten Chrom-Nanocantilever waren 3µm lang und weniger als 90nm breit. Wahlweise wurden bestimmte Quarzstempel verwendet, um Nanocantilever durch Nanoimprintlithografie (NIL) auf dem CMOS-Substrat aufzubringen. Die beiden verschiedenen Nanolithografieverfahren wurden verglichen, um ihre Vorteile und Einschränkungen in Bezug auf Dimensionsverringerung, Durchsatz und Kompatibilität mit CMOS zu ermitteln. Bei der Fertigung solcher nano-elektromechanischer Systeme (NEMS) sind detaillierte Kenntnisse ihrer elektrischen und, noch wichtiger, mechanischen Eigenschaften ausschlaggebend für den Einsatz als ultraempfindliche Einzelmolekülsensoren. Lokale elastische Eigenschaften von Nanocantilevern unterschiedlicher Länge wurden durch mechanisches Biegen mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskop (AFM) und Messung der Auslenkung geschätzt. Daraus folgten genaue und quantitative Beschreibungen der Nanocantileverauslenkung, die für die Bestimmung der für eine bestmögliche Leistung des Massensensors erforderlichen Cantilevergröße verwendet werden können.
