Nanohandhabungsstation

• Subject Area: Electrical Engineering and Information Technology
• Term: Funded in 2007
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 57792420

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Das Atomkraftmikroskop (AFM) hat sich, neben seiner Fähigkeit der hochauflösenden Bildgebung, in den letzten Jahren als ein wesentliches Instrument zur Manipulation von Objekten auf der Nanometerskala herausgestellt. Vielversprechende Anwendungen solcher AFM-basierten Handhabungen sind z.B. die Charakterisierung von nanoskopischen Materialien wie CNTs, Holzfibrillen und DNA oder die prototypische Herstellung von Komponenten, Geräten und Systemen die auf diesen Nanoobjekten basieren. Ein wesentliches Problem, dass eintritt wenn das AFM für die Nanomanipulation verwendet wird, stellt die geringe Arbeitsgeschwindigkeit dar. Diese ist durch die rasternde, damit sequentielle, Funktionsweise des AFM induziert. Um diesen Nachteil zu umgehen, hat sich die Automation als ein geeignetes Mittel bewährt, den Durchsatz bei AFM-basierten Nanomanipulationen zu erhöhen und zuverlässigere Ergebnisse zu erzielen. In unseren wissenschaftlichen Arbeiten beschäftigten wir uns zum Großteil mit den folgenden Bereichen:  AFM für die automatisierte Nanohandhabung von anorganischen Materialien,  AFM für die automatisierte Handhabung von Biomaterialien,  AFM für den Aufbau von nanoskopischen elektrischen Schaltungen und zur Lösung von Problemstellungen der Aufbau- und Verbindungstechnik,  AFM für die automatisierte Nanolithographie,  Entwicklung von Algorithmen für die Korrektur von thermischen Drifteffekten,  Kombination von AFM mit Rasterelektronenmikroskop (REM) zu einem vollautomatisiert arbeitenden System. Übersicht der wichtigsten Drittmittelprojekte: NanoBits – Das AFM hat sich zu einem Standardsystem für die Charakterisierung nanoskaliger Materialien entwickelt und wird in den meisten der heutigen Forschungs- und Entwicklungsbereiche eingesetzt. Das NanoBits Projekt hat zum Ziel austauschbare AFM-Spitzen zu ermöglichen, welche auf aktuellen Standard AFM-Spitzen basieren. Dabei soll eine beispiellose Freiheit bei der Wahl der Geometrie entsprechend der jeweiligen Anwendungen gegeben werden. Die NanoBits selbst sind 2-4 µm lange und 120-150 nm dünne Plättchen aus heterogenen Materialien, welche mittels unterschiedlicher Ansätze hergestellt werden. Diese neuartigen Spitzen werden für die Charakterisierung von dreidimensionalen „high-aspect-ratio“ Geometrien und Seitenwandstrukturen mit kritischen Dimensionen, wie z.B. bei nanooptischen photonischen Komponenten und Halbleiter-Architekturen, eingesetzt. Für die erfolgreiche Zukunft der nanoskaligen Anwendungen ist dieser Ansatz eine wesentliche Grundvoraussetzung. FIBLYS ist ein EU-finanziertes Projekt, bei dem ein neues System gebaut wurde, welches die wesentlichen Funktionen für die Nanostrukturierung, Nanomanipulation, Nanoanalytik und Nanobildgebung in einem einzigartigen Werkzeug vereint. Es basiert im Wesentlichen auf einem „Dual-Focused Ion Beam“ System (FIB), einem REM in Kooperation mit einem Rastersondenmikroskop (SPM). Zusätzlich dazu werden alle wichtigen analytischen Fähigkeiten des REM, wie z.B. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), 3D- Electron Backscatter Diffraction Basis (EBSD), Time-of-Flight Mass Spectrometry (TOF-MS), Electron Beam Induced Current (EBIC) oder Kathodolumineszenz (CL), gewährleistet. OrBa-MST - Bondingdrähte aus Holzfasern und DNA – Die Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik stellt große Anforderung an die Verknüpfung von mikroelektronischen und nichtelektronischen Mikrokomponenten zum vollständigen System. Für die elektrische Verbindung von zwei Kontakten (Bonden) werden Drähte benötigt. Aktuelle Größenordnungen von mehreren µm (Kontaktflächen 40µm²) verhindern eine weitere räumliche Miniaturisierung. Um eine weitere Miniaturisierung zu ermöglichen muss die Verwendung von organischen Materialien in Mikro- und Nanosystemtechnik untersucht werden. So kann die elektrische Verbindung zwischen zwei Kontakten durch nanoskopische organische Objekte ermöglicht werden. Statt einen Draht zu führen, sollen Holzfasern und DNA-Stränge durch mikro- bzw. nanorobotische Systeme platziert werden. Die Metallisierung von solchen aufgebrachten Strukturen ist ein weiterer Schritt im neuen Kontaktierungsprozess. Damit wird die Verwendung signifikant kleinerer Strukturen und somit eine wesentlich größere Packungsdichte erreicht. Im Projekt OrBaMST sollten Methoden für den Einsatz von organischen Materialien als Bondingdrähte untersucht und entsprechend ihrer Eignung bewertet werden. Um das Packaging mit organischen Materialien zu ermöglichen, mussten grundsätzliche Fragen nach (i) Vereinzelung, (ii) Handhabung und (iii) Charakterisierung dieser Strukturen beantwortet werden.

Publications

• "Development of a novel process chain based on Atomic Force Microscopy scratching for small and medium series production of polymer nano structured components". ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering
  E. B. Brousseau, F. Krohs, E. Caillaud, S. Dimov, O. Gibaru, S. Fatikow
  
• “Rapid prototyping of nanotube-based devices using topology-optimized microgrippers”. IOP Journal Nanotechnology, Vol. 19, No. 49, pp. 495503, 2008
  O. Sardan, V. Eichhorn, D. H. Petersen, S. Fatikow, O. Sigmund and P. Bøggild
  
• “Towards Automated Handling on the Nanoscale”. IROS 2008, Nice
  S. Fatikow, T. Wich, F. Krohs, and C. Dahmen
  
• “Towards automation in AFM based nanomanipulation and electron beam induced deposition for microstructuring”. 4M 2008 Cardiff
  F. Krohs, T. Luttermann, C. Stolle, S. Fatikow, E. Brousseau, S. Dimov
  
• "Investigation of a new process chain based on atomic force microscopy scratching". Proceedings of the 4M/ICOMM Conference, Karlsruhe, 2009
  E. Brousseau, F. Krohs, S. Dimov, C. Griffiths, S. Scholz, A. Rees, S. Fatikow
  
• "Towards Automated Nanoassembly with the Atomic Force Microscope: A Versatile Drift Compensation Procedure". ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, November 2009, Volume 131, Issue 6, 061106
  F. Krohs, C. Onal, M. Sitti, S. Fatikow
  
• “Advanced Atomic Force Microscope based System for Manipulation at the Nanoscale”. Proceedings of the 9th International IFAC Symposium on Robot Control (SYROCO2009), Gifu, Japan, September 9 to 12, 2009
  F. Krohs, M. Weigel-Jech, U. Mick, M. Isken, S. Fatikow
  
• “Nanobits: customisable scanning probe tips”. IOP Journal Nanotechnology, Vol. 20, No. 39, pp. 395703, 2009
  R. T. Rajendra Kumar, S. U. Hassan, O. Sardan, V. Eichhorn, S. Fatikow, F. Krohs, P. Boggild
  
• "AFM as a Robot for Automated Nanohandling". International Conference on Control, Automation and Systems 2010, Gyeonggi-do, Korea, Oct. 27-30 2010
  S. Fatikow, F. Krohs, M. Bartenwerfer, U. Mick, F. Niewiera, M. Weigel-Jech
  
• "Combined Nanorobotic AFM/SEM System as Novel Toolbox for Automated Hybrid Analysis and Manipulation of Nanoscale Objects". Proc. of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA2010), Anchorage, Alaska, USA, May 3-8, 2010, pp. 4088-4093
  U. Mick, V. Eichhorn, T. Wortmann, C. Diederichs and S. Fatikow
  
• “Automated Nanorobotic Handling of Bio- and Nanomaterials”. IEEE CASE Conference, Toronto, Canada, August 21-24, 2010
  S. Fatikow, V. Eichhorn, D. Jasper, M. Weigel-Jech, F. Niewiera, and F. Krohs
  
• “NanoBits: Exchangeable and customizable scanning probe tips as a versatile tool for nanoscale applications”. 7th International Workshop on Microfactories (IWMF 2010), Daejeon, Korea, 24-27 October, 2010
  V. Eichhorn, D. Jasper, F. Krohs, P. Bøggild, S. Fahlbusch, M. Oliva, O. Krause, H. Haschke and S. Fatikow
  
• “Towards Automated AFM-based Nanohandling of DNA, SAMs and CNTs”. NanoBioView, 6-7 October 2010
  Florian Niewiera, Malte Bartenwerfer, Florian Krohs, Michael Weigel-Jech, Sergej Fatikow
  
• „Automated Handling of Bio-Nanowires for Nanopackaging“. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2010), Taipei, Taiwan, October 18-22, 2010
  S. Fatikow, M. Bartenwerfer, F. Krohs, M. Mikczinski, F. Niewiera, M. Weigel-Jech, P. Saketi, P. Kallio
  
• „Nanohandling Robot Cells“. Volume: “Nanomedicine and Nanorobotics” in “Handbook of Nanophysics”, 7-Volume Set, Editor: Klaus D. Sattler, University of Hawaii-Manoa, Honolulu, Hawaii, USA, Taylor&Francis Publisher, CRC Press, 2010
  S. Fatikow, T. Wich, C. Dahmen, D. Jasper, C. Stolle, V. Eichhorn, S. Hagemann, M. Weigel-Jech
  
• “Methoden für die Automatisierte Handhabung von Biomaterialien für die Verwendung als Nano-Bonddrähte in der AVT“. Mikrosystemtechnikkongress (MST Kongress 2011), Darmstadt, Germany, 10-12 October, 2011
  M. Weigel-Jech, M. Mikczinski, M. Bartenwerfer, S. Fatikow