Mikrorobotik und Regelungstechnik

Forschungsgruppe:
Robotische Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung auf der Nanoskala

Das Gebiet der Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien ist in den vergangenen Jahren zu einem der wichtigen Forschungsfelder in den Materialwissenschaften und Nanotechnologie geworden. Aufgrund der überragenden physikalischen Eigenschaften dieser Nanomaterialien gibt es zahlreiche potentielle Anwendungsgebiete. Unsere Forschungsgruppe befasst sich mit Nanomaterialien, die sich durch Abmessungen im Nanometerbereich in mindestens einer Dimension auszeichnen: Dieses sind unter anderem Kohlenstoff-basierte Materialien, wie Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Nanodrähte aus unterschiedlichen Materialien wie z.B. Gold, Silicium und Zinkoxid oder auch Biomaterialien wie DNA oder Holzfasern. Zum Teil können diese Materialien direkt als elektrisch leitende Strukturen eingesetzt werden und ermöglichen zudem neue Sensor- und Aktortechnologien, mit verbesserten Eigenschaften. Dabei ist besonders das Gebiet der nano-elektro-mechanischen Systeme (NEMS) zu erwähnen.

Um die Herstellungsverfahren dieser Nanomaterialien zu optimieren und prototypische Komponenten zu realisieren ist eine reproduzierbare Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung dieser Materialien zwingend erforderlich, wobei häufig die Integration von Nanomaterialien in bestehende Mikrosysteme und deren Prozessschritte eine der ungelösten Aufgaben ist. Automatisierte nanorobotische Systeme stellen dafür einen sehr vielversprechenden Ansatz dar, um die Lücke zwischen den sogenannten „Top-down“- und „Bottom-up“-Ansätzen zu schließen. Unsere Forschungsgruppe entwickelt nanorobotische Strategien zur Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien und bringt diese dadurch einen Schritt näher in Richtung Anwendung.

Unsere Forschungsgruppe ist Partner des NanoTP Cost Action Projektes „Designing novel materials for nanodevices: From Theory to Practice“, welches die theoretischen und experimentellen Forscher im Bereich der Nanotechnologie zusammenbringen soll.

 

 

Nanorobotische Technologien und Systeme

Mit Hilfe unserer exzellenten Laborausstattung und in enger Zusammenarbeit mit unserer Gruppe „Werkzeuge und Technologien für Automatisierung in Mikro- und Nanorobotik“ entwickeln wir solche modularen nanorobotische Systeme, die eine automatisierte und reproduzierbare Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien mit hohem Durchsatz ermöglichen. Unter anderem verwenden wir dabei folgende nanorobotischen Systeme und Technologien:

Modulare nanorobotische Systeme integrierbar in unterschiedliche Mikroskope (REM, AFM, OM) zur Analyse und Anwendung von ein-, zwei- und dreidimensionalen Nanomaterialen.

Neue Scanverfahren, austauschbare Messspitzen und Driftkompensation für die automatisierte AFM-basierte Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien.

Kombination und Integration eines AFM/REM/FIB Aufbaus mit Gasinjektionssystem zur umfassenden Analyse und AFM-basierten Manipulation von Nanomaterialien mit visuellem Feedback.

Die Forschungsgruppe arbeitet zurzeit schwerpunktmäßig an folgenden Nanomaterialien.

Anwendungsfelder

Graphen

Graphen besteht aus einer Monolage von Kohlenstoffatomen, die in einem Honigwaben-artigen Gitter angeordnet sind. Es ist ein Material mit bemerkenswerten und einzigartigen Eigenschaften: Graphen ist das dünnste und härteste bekannte Material und zeigt die höchsten thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten bei Raumtemperatur, die jemals gemessen wurden. Es vereint sogar Eigenschaften, die sich tendenziell widersprechen: Graphen ist einerseits extrem steif, ist aber gleichzeitig biegsam und flexibel. Aufgrund dieser Merkmale erscheint Graphen als ein vielversprechender Kandidat für eine Vielzahl möglicher Anwendungen, beispielsweise für hochpräzise Sensoren, flexible elektronische Bauteile oder als Teil chemischer oder elektrischer Energiespeicher.

Die Handhabung und Manipulation von frei schwebendem Graphen verlangt nach angepassten experimentellen Aufbauten aufgrund der extrem großen Oberfläche und den damit verbundenen Adhäsionskräften. In unserer Gruppe werden dafür nanorobotische Systeme mit Werkzeugen wie Wolframspitzen mit hohem Aspektverhältnis, AFM-Cantilever oder Mikro-Sonden ausgestattet. Die robotischen Systeme befinden sich dabei innerhalb der Vakuumkammer eines hochauflösenden Rasterelektronenmikroskops, welches zusätzlich mit einem fokussierten Ionenstrahl sowie einem Gasinjektionssystem ausgestattet ist, welches eine flexible Manipulation, Charakterisierung und Bearbeitung von Nanomaterialien bei gleichzeitigem visuellen Feedback erlaubt. Dadurch sind vielfältige Experimente realisierbar, die sowohl die Messung der lokalen elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Graphen als auch den Aufbau Graphen-basierter Prototypen ermöglichen.

Unsere Abteilung ist eine der für das „Graphen Flagship“ registrierten Arbeitsgruppen.

Ansprechpartner: Sergio Garnica

Nanodrähte

Eindimensionale Objekte, wie Nanodrähte und Nanoröhren, wurden in den letzten Jahren viel erforscht und haben eine noch immer wachsende Bedeutung. Die kleinen Abmessungen dieser Materialien führen zu einem bereits quasi-quantenmechanischen Verhalten, welches die Materialeigenschaften ungemein verbessert. Einige Nanodrähte zeigen außergewöhnlich Eigenschaften in der Leitfähigkeit, mechanischen Robustheit oder ein ungewöhnliches halbleitendes Verhalten, so dass sie bereits bestehende konventionelle elektromechanische Systeme verbessern können, z.B. als sensitive Komponente in sensorischen Bauteilen zur Steigerung der Empfindlichkeit und Ansprechzeit, während sich Energieverbrauch und Gewicht reduzieren.

Unsere Forschung erstreckt sich über eine Vielzahl von Nanomaterialien: von einfachen metallischen Nanodrähten aus Kupfer, über Halbleiter wie Silizium, Siliziumkarbid und Zinkoxid, bis hin zu den sog. neuen Materialen wie Kohlenstoffnanoröhren. Unsere Forschungsarbeit  dabei sowohl die elektrische und mechanische Charakterisierung von Nanodrähten, als auch deren Anwendung in neuen prototypischen Bauteilen wie Sensoren und nano-elektro-mechanischen Systemen (NEMS).


Ansprechpartner: Malte Bartenwerfer

Carbon nanotubes

Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNTs), haben sich zu einem der vielversprechendsten Materialien der Nanotechnologie entwickelt. Aufgrund ihrer herausragenden physikalischen Eigenschaften wurden CNTs bereits zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichsten Bereichen vorhergesagt. Mit Hilfe der aktuellen Herstellungsverfahren lassen sich jedoch die geometrischen und physikalischen Eigenschaften der CNTs nicht vollständig kontrollieren. Die auf einer Abscheidung aus der chemischen Gasphase beruhenden CVD-Verfahren (chemical vapour deposition, CVD) könnten in naher Zukunft mit herkömmlichen Herstellungsverfahren der Mikrosystemtechnik vereinbar sein, so dass eine direkte Herstellung von CNTs in zukünftigen Mikrosystemen möglich wäre. Bis dahin stellt jedoch gerade die Mikro-Nano-Integration von CNTs in bestehende Mikrosysteme eine der größten Herausforderungen dar. Um einerseits die Herstellungsverfahren weiter optimieren und andererseits den Aufbau erster CNT-basierter prototypischer Bauteile ermöglichen zu können, ist die Handhabung und Charakterisierung einzelner CNTs von zentraler Bedeutung. Unsere Forschungsgruppe erforscht deshalb neuartige, roboterbasierte Methoden für die Handhabung und Charakterisierung von einzelnen CNTs. Dazu wurde ein nanorobotisches System im Rasterelektronenmikroskop aufgebaut, mit dessen Hilfe neue direkte und zerstörungsfreie Verfahren zur elektrischen und mechanischen Charakterisierung von gewachsenen CNTs erforscht wurden. Außerdem wurden Strategien für die kontrollierte Mikrogreifer-basierte Handhabung von CNTs erforscht, die eine reproduzierbare Herstellung von prototypischen CNT-basierten Komponenten erlauben. Der Einsatz eines fokussierten Ionenstrahls kann zudem für eine Bearbeitung, wie z.B. das irreversible Verbiegen oder Kürzen von CNTs genutzt werden, um deren Geometrie an spezielle Anwendungen anzupassen.

Elektrothermisch aktuierte Mikrogreifer und Vierpunkt-Elektroden werden dabei von unserem Projektpartner, der „Nanointegration group“ an der DTU Nanotech in Kopenhagen, Dänemark entwickelt und gefertigt.

Im Rahmen des EU geförderten Forschungsprojekts NanoHand, wurde eine vollautomatisierte nanorobotische Assemblierung von CNT-basierten AFM-Meßspitzen durchgeführt.

Video auf YouTube NanoLab



Ansprechpartner: Malte Bartenwerfer

Holzfasern und mikrofibrillierte Cellulose (MFC)

Cellulose ist das am weitesten verbreitete Makromolekül auf der Erdoberfläche. Daher ist es kein Wunder, dass pflanzliche Bestandteile in vielen Produkten Verwendung finden. Besonders in der Form von Papier sind Cellulosefasern bekannt. Doch es gibt auch viele weitere High-Tech-Produkte, die mit Cellulose hergestellt werden. Im Zuge der Nachhaltigkeitsdebatte hat sich der Trend verstärkt, dass immer mehr Anwendungsgebiete wie Composites oder medizinische Produkte erschlossen werden.

Aber auch die klassische Papierherstellung ist einem ständigen Erneuerungsprozess unterworfen. Trotzdem basiert die Herstellung von Papier auch heute noch zu großen Teilen auf den Erfahrungen der Papiermacher. Wissenschaftlich belegte Erklärungen und Modelle zum Verhalten und den Eigenschaften der Fasern in der Papiermaschine oder den vor- und nachgeschalteten Prozessen sind rar. In den letzten Jahren ist klar geworden, dass die (Ultra-)Struktur in den Fasern und deren Bestandteilen (Fibrillen) sowie den Interaktionen all dieser Elemente miteinander einen erheblichen Einfluss hat und von den bisherigen Modellvorstellungen abweicht. Die Größe der Faserkomponenten dieser Ultrastruktur liegt jedoch im zweistelligen Nanometerbereich und darüber, weshalb neue Werkzeuge und Messmethoden eingesetzt werden müssen.

Hier bietet die Nanorobotik einen idealen Werkzeugkasten, um neue Versuche an Fasern, Fibrillen oder Faserbindungen zu ermöglichen. Durch die Automatisierung können auch Versuche mit 10 bis 10.000 und mehr Proben sicher und effizient durchgeführt werden. Die Ermittlung neuer oder bedarfsgerechter Kennwerte für Fasern ist ein Forschungsgebiet unserer Gruppe. Dabei können zusätzlich zur Lichtmikroskopie Fasern, Macro-/Micro-Fibrillen und Filme von mikrofibrillierter Cellulose (MFC) auch im Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht werden. Feuchte Proben werden bei erhöhtem Druck (30 … 0,1mbar) abgebildet, während trockene Proben bei geringerem Druck (10-5mbar) visualisiert werden und so auch kleinste Strukturen sichtbar gemacht werden können. Um die innere Ultrastruktur offenzulegen und zu untersuchen werden Verfahren zur mechanischen Dissektion entwickelt. So kann beispielsweise die Verformbarkeit des Faserquerschnitts beobachtet und gleichzeitig die wirkende Kraft bei der Formänderung bestimmt werden. Die daraus resultierende Energie für das Zusammendrücken der Faser kann ein Indikator für den späteren Energieverbrauch beim Refining oder andere Prozesse sein. Die Verwendbarkeit solcher Messgrößen als Kennwert wird in enger Zusammenarbeit mit der Papierindustrie und anderen Forschungsinstituten untersucht.

Unsere Forschungsgruppe ist im Lenkungsausschuss des COST Action Projektes FP1105 “Understanding wood cell wall structure, biopolymer interaction and composition: implications for current products and new materials” tätig.


Ansprechpartner: Malte Bartenwerfer

AFM-basierte Nanomanipulation und 3D-nanometrology

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) gehört mittlerweile zur Ausstattung vieler Forschungsgruppen weltweit und wird neben den typischen topographischen Messaufgaben auch zur mechanischen Charakterisierung von Oberflächen mittels Kraft-Abstand-Kurven oder zur AFM-basierten Nanohandhabung eingesetzt. Diese Nanohandhabungen mit dem AFM werden aufgrund vielfältiger Probleme heutzutage fast ausschließlich manuell durchgeführt und sind daher sehr zeitaufwändig. Es besteht daher ein großes Forschungsinteresse, diese Nanohandhabungsprozesse automatisieren zu können. Aus diesem Grund entwickeln wir in unserer Forschungsgruppe Techniken zur Driftkompensation, die eine vollständige Automatisierung von AFM-basierten Handhabungs- und Lithographieprozessen ermöglicht. Außerdem entwickeln wir im Rahmen des Europäischen Forschungsprojektes NanoBits (hier: Videos) sowohl austauschbare und anpassbare Messspitzen als auch neuartige Scanverfahren, die eine vollständige dreidimensionale Analyse von nanoskaligen Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen erlauben.


Ansprechpartner: Malte Bartenwerfer

Projekte

Abgeschlossene Projekte

  • DriftAFM - Kompensation von thermalen Drifteffekten in der Rasterkraftmikroskopie
  • Powerbonds - Enhancement of Fiber and Bond Strength Properties for Creating Added Value in Paper Products
  • NADESTA - Development of a Nanohandling Desktop Station for Nanocharacterization of CNTs and biological cells by a piezoresistive AFM Probe
  • EfuSNa - Eigenschaften funktionaler Strukturen auf der Nanoskala, hergestellt durch elektronen-strahlgestützte Verfahren
  • NANOBITS - Exchangeable and Customizable Scanning Probe Tips
  • NANORAC – Nanorobotics for Assembly and Characterization
  • NANOHAND - Micro-Nano System for Automatic Handling of Nanoobjects
  • FIBLYS - Building an Analyzing Focused Ion Beam for Nanotechnology 
  • Gold-EBiD - Robotergestützte Herstellung und Charakterisierung von Goldschichten und Goldnanostrukturen aus neuartigen Designerprecursoren
  • ZuNaMi - Zukünftige Verfahren der Nano-/Mikroproduktion
  • NanoStore - Mikroroboterzelle zur automatisierten Handhabung und Montage von CNTs für die Integration von Mikro- und Nanoobjekten innerhalb eines Rasterelektronenmikroskop
  • ROBOSEM - Development of a Smart Nanorobot for Sensor-based Handling

Gruppenmitglieder

Studierende:

  • To Lan Tina Le

Wichtigste Publikationen

•  M. Weigel-Jech, M. Bartenwerfer, M. Mikczinski, S. Fatikow: “Biomaterials as Bonding Wires for Integrated Circuit Nanopackaging”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2011), Budapest, Hungary, 3-7 July, 2011.
•  M. Mikczinski, M. Bartenwerfer, P. Saketi, S. Heinemann, R. Passas, P.Kallio, S. Fatikow: “Towards automated Manipulation and Characterisation of Paper-making fibres and its components.” In: Fine Structure of Papermaking Fibres, COST Action E54 “Characterisation of the fine structure and properties of papermaking fibres using new technologies”. Eds: Ander P., Bauer W., Heinemann S., Kallio P., Passas R. and Treimanis A. Swedish University of Agricultural Sciences, pp. 163-178, 2011. ISBN 978-91-576-9007-4.
•  V. Eichhorn, M. Bartenwerfer, and S. Fatikow: “Nanorobotic Assembly and Focused Ion Beam Processing of Nanotube-enhanced AFM Probes”, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2012, in press.
•  S. Fatikow, V. Eichhorn, and M. Bartenwerfer: “Nanomaterials Enter the Silicon-Based CMOS Era - Nanorobotic Technologies for Nanoelectronic Devices”, IEEE Nanotechnology Magazine, 2012, Volume 6, Number 1, pp. 14-18, March, 2012, Doi: 10.1109/MNANO.2011.2181735, 2012.
•  V. Eichhorn: “Nanorobotic Handling and Characterization of Carbon Nanotubes Inside the Scanning Electron Microscope”, München: Verlag Dr. Hut, 2011. 161 pages, ISBN: 978-3-86853-844-1 .
•  M. Bartenwerfer, S. Fatikow, R. Tunnell, U. Mick, C. Stolle, C. Diederichs, D. Jasper, and V. Eichhorn: "Towards Automated AFM-based Nanomanipulation in a Combined Nanorobotic AFM/HRSEM/FIB System", Proc. of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA 2011), Beijing, China, 7-10 August, 2011, pp. 171-176. Best Paper Award.
•  V. Eichhorn, S. Fatikow, O. Sardan Sukas, T.M. Hansen, P. Bøggild, and L.G. Occhipinti: "Novel Four-Point-Probe Design and Nanorobotic Dual Endeffector Strategy for Electrical Characterization of As-grown SWCNT-Bundles", Proc. of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2010), Anchorage, Alaska, USA, 3-8 May, 2010, pp. 4100-4105.
•  S. Fatikow, V. Eichhorn, D. Jasper, M. Weigel-Jech, F. Niewiera, F. Krohs: "Automated Nanorobotic Handling of Bio- and Nano-Materials", Proc. of the 6th IEEE Conference on Automation Science and Engineering (CASE 2010), Toronto, Canada, August 21-24, 2010, pp. 1-6, Best Paper Award.
•  E.B. Brousseau, F. Krohs, E. Caillaud, S. Dimov, O. Gibaru, S. Fatikow: "Development of a Novel Process Chain Based on Atomic Force Microscopy Scratching for Small and Medium Series Production of Polymer Nanostructured Components", ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 132, no. 3, pp. 031001, 2010.
•  V. Eichhorn, M. Bartenwerfer, S. Fatikow: "Nanorobotic Strategy for Nondestructive Mechanical Characterization of Carbon Nanotubes", Bentham Journal Micro and Nanosystems, vol. 2, no. 1, pp. 32-37, 2010.
•  R.T. Rajendra Kumar, S.U. Hassan, O. Sardan, V. Eichhorn, F. Krohs, S. Fatikow, P. Bøggild: "Nanobits: customisable scanning probe tips", Nanotechnology, vol. 20, no. 39, pp. 395703, 2009.
•  F. Krohs, C. Onal, M. Sitti, S. Fatikow: "Towards Automated Nanoassembly with the Atomic Force Microscope: A Versatile Drift Compensation Procedure", ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol. 131, no. 6, pp. 061106, 2009.