Prof. Dr. Dr. Thomas Geßner: Nanotechnologie – Made in Sachsen

Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie. Kaum eine andere Disziplin ­bietet mehr Potenzial für innovative Anwendungen. Die Weiterentwicklung von Technologien in den Nanometerbereich und die Entdeckung neuer physikalischer Phänomene auf dem atomaren bzw. molekularen Level hat völlig neue Lösungsansätze in der Mikroelektronik, der Biotechnologie, der Umweltüberwachung, der Messtechnik, dem Maschinen- und Anlagenbau und in vielen anderen Bereichen erschlossen.

Laut Wirtschaftsförderung Sachsen gehört das Bundesland Sachsen mit seinen rund 200 Nanotechnologie-Akteuren heute zu den Top 5 der Nanotechnologie-Standorte in Deutsch­­land. Deutliche Branchenschwerpunkte bestehen im Bereich der Elektronik mit dem Branchennetzwerk „Silicon Saxony“ sowie im Bereich Maschinen- und Anlagen­­bau (speziell im Bereich der Oberflächen- und Schichttechnologie).

Die Mikro- und Nanoelektronik ist nach wie vor eine der wesentlichen Schlüsseltechnologien in der Gesellschaft. Es gibt heutzutage kaum ein Gerät oder System, in dem die Elektronik nicht eine wesentliche Funktion hat und damit entscheidend ist für die mit ihm erzielbare Wertschöpfung und dessen Wettbewerbsfähigkeit. Dies wird auch durch die Einordnung der Mikro- und Nanoelektronik und der Nanotechnologie in die „Key Enabling Technologies“ (KET) durch die Europäische Union bestätigt.

Im Rahmen des Exzellenzclusters Center for Advancing Electronics cfaed der TU Dresden arbeiten fast 300 Wissen­­schaftler und Wissenschaftlerinnen an der TU Dresden und TU Chemnitz sowie an neun Forschungsinstituten u. a. der Fraunhofer-, der Leibniz- und der Max-Planck-Gesellschaft. Sie alle haben dasselbe Ziel: alternative und komplementäre Technologien für die Elektronik der Zukunft zu erforschen, um die absehbaren Grenzen der herkömmlichen Techno­­logie überwinden zu helfen.

Dazu forschen die Wissenschaftler in neun Forschungs­­pfaden. Einer davon ist der Kohlenstoffpfad. Nutzer heutiger Mobiltelefone (Smartphones) kennen das Problem, dass der Akku schnell aufgebraucht ist und nachgeladen werden muss. Ein Großteil der Energie wird für die drahtlose Kom­­munikation mit der Mobilfunkstation verwendet. Hier setzen die Forscher aus Chemnitz, Dresden und Waldheim an und wollen eine neue Generation von Elektronik auf der Basis von winzigen Kohlenstoff-Nanoröhren entwickeln. Diese völlig neuen Bauelemente können einen um bis zu 40 Prozent geringeren Energiebedarf haben. Die Pro­zesse und Technologien dazu werden am Zentrum für Mikro­­techno­logien der TU Chemnitz entwickelt, erste Prototypen, darunter auch der erste GHz-Transistor, wurden bereits hergestellt.

In unserem Alltag haben in vielen Anwendungen intelligente Funktionen, die auf Mikrosystemen und Mikrotechnologien basieren, Einzug gehalten. Autos, Mobiltelefone und medi­­zinische Geräte sind ohne sensorische, aktorische und signal­­verarbeitende Funktionen nicht mehr vorstellbar. Die deutsche Industrie ist derzeit in einer führenden Position bei der Entwicklung und Herstellung solcher eingebetteter intelligenter Systeme. Um diesen Wettbewerbsvorteil zu verteidigen, ist es in Zukunft notwendig, diese Systeme durch den Einsatz von Nanotechnologien kleiner, intelligenter, leistungs­­fähiger und kostengünstiger zu machen. Neben dem enormen technischen Potenzial stellt die Anwendung von Nano­­tech­­no­­­logien die Forschung und Entwicklung vor große Heraus­­forderungen. Die Arbeit im physikalischen Grenzbereich, die Entwicklung in immer enger werdenden Zeitrahmen, die Fertigung mit kostenintensivem Equipment und die vorher­­sehbare Steigerung der Komplexität der Systeme setzen hochgradige Spezialisierung aber auch Kompetenzen in einer großen Breite voraus.

Nanometer-Multischichten sind die Basis für die Herstellung von leistungsfähigen Röntgenspiegeln. Für hohe Reflexionswerte sind scharfe Übergänge von einem Material zum nächsten und sehr glatte Schichten mit typischen Mikrorauheiten im Bereich von 0,1…0,2 nm rms erforderlich. Darüber hinaus muss die Übereinstimmung von Soll- und Istdicken an jedem Ort des Spiegels typischerweise im Bereich von 99,8…99,9 Prozent liegen.

Nanometer-Multischichten sind die Basis für die Herstellung von leistungsfähigen Röntgenspiegeln. Für hohe Reflexionswerte sind scharfe Übergänge von einem Material zum nächsten und sehr glatte Schichten mit typischen Mikrorauheiten im Bereich von 0,1…0,2 nm rms erforderlich. Darüber hinaus muss die Übereinstimmung von Soll- und Istdicken an jedem Ort des Spiegels typischerweise im Bereich von 99,8…99,9 Prozent liegen.

Dieser Aufgabenstellung widmet sich das Kompetenz­­netz­­werk Nanosystemintegration nanett, ein bis 2014 öffentlich durch das BMBF gefördertes Netzwerk aus acht Forschungs­­einrichtungen unter der Leitung der TU Chemnitz und des Fraunhofer ENAS. Im Mittelpunkt standen hochgenaue Ma­­gnet­­feldsensoren, verschiedene Materialien, deren Eigen­­schaften durch das Einbringen von Nanostrukturen so geändert werden, dass sich sensorische oder aktorische Funktionen realisieren lassen, sowie energieeffiziente Sensor­­netzwerke mit autonomen Sensorknoten. Mit Hilfe des ent­­wickelten Wake-Up Receivers kann deren Gesamtenergie­­bedarf drastisch reduziert werden.

Im Themenschwerpunkt „Materialintegrierte Sensorik basierend auf Nanoeffekten“ wurden funktionale Werkstoffe, deren Eigenschaften auf der Einbindung von Nano­­effekten in das Material, insbesondere Polymeren, beruhen, entwickelt. Damit können die Sensorfunktionalitäten in den Werk­­stoff integriert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensor­­systemen werden keine diskreten Sensoren in oder auf ein Bauteil integriert, sondern der Werkstoff selbst beinhaltet diese Funktion. Letztgenannte können künftig für die Über­­wachung von Strukturleichtbauteilen eingesetzt werden.

An dieser Stelle setzt auch das Exzellenzcluster der TU Chemnitz MERGE Technologiefusion für multifunktionale Leicht­­bau­struk­­turen an. Ziel der Forschung des Cluster ist die Fusion groß­­serientauglicher Basistechnologien aus den Bereichen Kunststoff, Metall, Textil und Smart Systems zur Entwicklung ressourceneffizienter Produkte und Produktionsprozesse.

In der Industrie nimmt der Anteil von Nanotechnologie-Pro­­dukten stetig zu. Die sächsischen Unternehmen und For­sch­­ungs­­einrichtungen der Nanotechnologie werden von ver­­schiedenen aktiv gelebten Netzwerken unterstützt. Neben Silicon Saxony gehören dazu das Nanotechnologie-Kompe­­tenzzentrum „Ultradünne funktionale Schichten“ (Nano-CC-UFS), das Sächsische Exzellenzcluster „ECEMP – European Centre for Emerging Materials and Processes Dresden“, aber auch das Fraunhofer-Cluster Nanoanalytik sowie die in der Fraun­­hofer-Allianz Nanotechnologie aktiven sächsischen Institute Fraunhofer IWS, IKTS und ENAS.

ProfThomasGessner_ausschnittProf. Dr. Dr. Thomas Geßner
Der Autor, 1954 in Karl-Marx-Stadt geboren, studierte an der TU Dresden Physik und
promovierte an der TU Dresden. Seit 1991 leitet er das ZfM der TU Chemnitz. 1993
erfolgte die Berufung zum Professor für Mikrotechnologie an der TU Chemnitz. Prof.
Geßner war von 2006 bis 2008 stellvertretender Leiter des Fraunhofer IZM. Seit 2008 ist er Leiter des Fraunhofer-Instituts für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz.