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Abb.1: A) Skizze zur 2-Photonen Lithographie. Der Photolack härtet im Fokus des Lasers aus. Der Fokus wird durch die Probe bewegt und schreibt so ein beliebiges dreidimensionales Objekt. B) CAD-Modell eines Frosches und C) das ausgedruckte Resultat, aufgenommen mit einem Elektronenmikroskop.
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Richard Wollhofen - 3D Nanodrucker - Kleiner als das Licht erlaubt?
STED-Lithography at the 55 nm Node
oder
3D Nanodrucker — kleiner als das Licht erlaubt?
Richard Wollhofen
angefertigt am Institut für Applied Physics
Die Geburtsstunde der Nanotechnologie schlug 1959 mit der berühmten Rede des amerikanischen Physikers und Nobelpreisträgers Richard Feynman. Er schlug unter anderem vor, die Leistungsfähigkeit von Computern zu steigern, indem man die Bauteile miniaturisiert. Je kleiner die verwendeten Einzelteile, desto weniger Platz braucht man für die fertige Maschine. Diese Vision ist heute Realität geworden: Computer haben sich gewandelt von tonnenschweren, ganze Räume ausfüllenden Geräten - hin zu leichten, ständig vernetzten Smartphones, die in jede Hosentasche passen und dabei noch ungleich leistungsstärker sind.
Will man aber dreidimensionale Strukturen herstellen, braucht man eine andere Methode, nämlich die sogenannte 2-Photonen-Lithographie: ein schonender gepulster Infrarot-Laser wird in einen flüssigen Photolack fokussiert. Dabei wird nur im Fokus eine chemische Reaktion gestartet, die zum Aushärten des Photolacks führt. Den Fokus bewegt man nun wie einen Stift durch das Material, um beliebige Formen auszuhärten. Dieses Prinzip ist einem 3D-Drucker sehr ähnlich, mit etwa 100 nm Strichbreite, das ist 500x schmäler als ein menschliches Haar.
Die 2-Photonen-Lithographie kann weiter verbessert werden, indem man zusätzlich einen zweiten Deaktivierungs-Laser verwendet. Der Deaktivierungsstrahl wird zu einem Ring geformt und umhüllt den Fokus des Anregungslasers. Dieser Ring verhindert durch stimulierte Emission eine Aushärtung im Randbereich. Durch diesen Trick erreicht man noch kleinere Strichbreiten und kann so die Beugungsgrenze umgehen.
Abb.2: Simulation von ringförmigem Abregungsfokus (grün) und Anregungsfokus (rot). Die beiden Strahlen werden genau übereinander gelegt.
Ich habe in meiner Diplomarbeit am Institut für Angewandte Physik ein 2-Photonen-Lithographie-Setup aufgebaut und es gelang mir, durch stimulierte Emission die Auflösung noch weiter zu verbessern. Nun können Polymerlinien mit einer Breite von sogar nur 55 nm geschrieben werden, das ist etwa 1/14 der Anregungswellenlänge und somit deutlich unter der Beugungsgrenze.
Abb.3: Elektronenmikroskopbild einer 55 nm breiten Polymerlinie, geschrieben auf Glas.Über dem Anregungsfokus wurde der ringförmige Deaktivierungsfokus positioniert. So erreicht man Rekordbreiten von 55 nm.
Meine Ergebnisse sind im Artikel „120 nm resolution and 55 nm structure size in STED-lithography“, Optics Express 21, 10833 (2013) veröffentlicht. Besonders gefreut ahbe ich mich, dass meine Arbeit von der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft (ÖPG) als „Herausragende experimentalphysikalische Master- oder Diplomarbeit“ im Jahr 2013 mit dem Studierendenpreis ausgezeichnet worden.
Die Ergebnisse meiner Diplomarbeit haben auch bereits eine Anwendung gefunden:
Einzelne Antikörper wurden punktgenau an Glasoberflächen angebracht (Wiesbauer, Wollhofen et al.; "Nano-Anchors with Single Protein Capacity Produced with STED Lithography", Nano letters 13, 5672 (2013)). Damit könnte man die Wirkungsweise des Immunsystems genauer untersuchen und besser verstehen lernen.