Archiv für den Monat Oktober 2010

Hauchdünne Grenzgänger

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Presseinformation der LMU München vom 22.10.2010

Wachstum von Aluminiumoxid-Nanodrähten erstmals beobachtet

Hauchdünne Nanodrähte könnten in der Elektronik, Optik und Medizintechnik in den kommenden Jahren dazu beitragen, Handys oder Computer kompakter zu machen und eine besonders hohe Bildschirm-Auflösung zu erzielen. Einem internationalen Forscherteam um die LMU-Physikerin Professor Christina Scheu ist es nun erstmals gelungen, die Entstehung von Aluminiumoxid-Nanodrähten in atomarer Auflösung und in Echtzeit zu beobachten. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass das selbstkatalytische Wachstum der Aluminiumoxid-Drähte in einem zweistufigen Prozess erfolgt, wobei der Draht entlang seiner Längsachse Lage für Lage aufgebaut wird. Die bislang einzigartigen Aufnahmen gelangen den Forschern mithilfe eines hochauflösenden Elektronenmikroskops. „Unsere Untersuchungen sind wichtig, um das Wachstum von Nanodrähten aus verschiedenen Materialien zu verstehen und dieses anschließend bewusst steuern und verändern zu können“, erläutert Scheu, deren Forschungsarbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) gefördert werden. (Science online, 21. Oktober 2010).

Hauchdünne Nanodrähte mit Durchmessern von weniger als 50 Nanometern, was Milliardstel Meter entspricht, haben das Potenzial, elektronische Geräte – etwa Handys und Computer – künftig kompakter zu machen. Ihr Wachstum kann aber nur gezielt beeinflusst werden, wenn die Forschung den zugrunde liegenden Entstehungsprozess im Detail versteht. Meist wachsen Nanodrähte in einem sogenannten Gas-Flüssigkeit-Festkörper-Prozess (Vapour-Liquid-Solid Growth oder VLS).

Dabei gelangen die zum Wachstum benötigten Atome aus der Gasphase über die flüssige Phase in einen festen Zustand, der dann den Nanodraht bildet. „Nanodrähte aus Silizium wachsen zum Beispiel, indem sich die Silizium-Atome in einem Tropfen aus flüssigem Gold lösen und dort in Richtung der Grenzfläche des Nanodrahts bewegen, an den sie sich dann anlagern“, erläutert Professor Christina Scheu von Department Chemie und vom Center for NanoScience (CeNS).

Unklar war bisher jedoch, was passiert, wenn die flüssige Phase die zum Wachstum benötigte Atomsorte nicht lösen kann. „Bei unserem System ist genau das der Fall“, berichtet Scheu, unter deren Leitung sich ein internationales Forscherteam aus Korea, Israel, den USA und Deutschland mit dieser Frage beschäftigte. „Der zum Wachstum der Aluminiumoxid-Nanodrähte verwendete flüssige Al-Tropfen kann bei hohen Temperaturen keinen Sauerstoff aufnehmen.“ Die Wissenschaftler untersuchten daher, welche Auswirkungen dies hat und führten bei 750 Grad Celsius Experimente in einem Transmissions-Elektronenmikroskop durch, das sich am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart befindet.

Mit diesen Versuchen gelang es, die atomaren Prozesse beim Wachstum der Aluminiumoxid-Drähte zu beobachten. Dabei zeigte sich, dass das selbstkatalytische Wachstum der Nanodrähte in einem zweistufigen Prozess erfolgt. An den sogenannten Dreiphasenpunkten – oder Tripelpunkten – zwischen flüssiger Phase, Gasphase und fester Phase werden zunächst kleine Kristallfacetten gebildet und anschließend wieder aufgelöst. „Wenn die Kristallfacetten in die Länge wachsen, wird Sauerstoff frei, der entlang der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Nanodraht eingebaut werden kann“, sagt Scheu. „Damit wächst der Nanodraht um eine Atomlage.“

Diese Vorgänge wurden in einem Echtzeit-Video festgehalten. „Ohne diese hochauflösenden Aufnahmen hätte man die atomaren Prozesse beim zweistufigen Wachstum der Aluminiumoxid-Drähte gar nicht aufklären können“, sagt Scheu. „Außerdem wäre uns wohl die zentrale Rolle der Tripelpunkte entgangen, die bisher oft als starr angesehen wurden.“ Das detaillierte Verständnis der Entstehung von Nanodrähten ist die Voraussetzung für die gezielte Manipulation ihres Wachstums. Scheu und ihr Team wollen in nachfolgenden Studien nun das Wachstum, die Struktur und Eigenschaften von Nanodrähten aus anderen Materialien aufklären.

Publikation:
„Oscillatory Mass Transport in Vapor-Liquid-Solid Growth of Sapphire Nanowires”;
Sang Ho Oh, Matthew F. Chisholm, Yaron Kauffmann, Wayne D. Kaplan, Weidong Luo, Manfred Rühle, Christina Scheu;
Science, Band 330 no. 6003, pp. 489-493
21. Oktober 2010
DOI: 10.1126/science.1190596

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Neue Methode vereinfacht genetische Modifikationen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 18.10.2010

Forscher der Universität Basel haben eine Methode entwickelt, welche die genetische Modifikation von embryonalen Stammzellen aus Mäusen stark vereinfacht. Die Fachzeitschrift «Nature Methods» stellt die neue Technologie in ihrer aktuellen Ausgabe vor.

Um genetische Modifikationen auszulösen, verändern Forscher gezielt einen bestimmten Abschnitt des Erbgutes in embryonalen Stammzellen von Mäusen. Bei den herkömmlichen Techniken des Einführens eines modifizierten Abschnitts von DNS wird die veränderte Erbinformation allerdings nur sehr selten durch eine homologe Rekombination an der richtigen Stelle in das Erbgut der Wirtszelle eingebaut.

Neuere Verfahren wie das RMCE-Kassettenaustauschverfahren können modifizierte Gene wesentlich effizienter ins Erbgut von Säugerzellen einbringen. Allerdings müssen zuvor bestimmte, sogenannte heterotypische Erkennungssequenzen mithilfe der homologen Rekombination in das Zielgenom eingebracht werden. Diese markieren den Ort, an dem danach das massgeschneiderte Stück DNS eingefügt werden soll. Dieses Verfahren lässt sich aber nur in speziellen Fällen anwenden und insbesondere die vielen bereits modifizierten Mäusegene, bei denen sich Mutationen dank konditioneller Allele flexibel auslösen lassen, sind für dieses Austauschverfahren nicht geeignet.

Doppeltes Austauschverfahren

Forschern um Prof. Rolf Zeller vom Department Biomedizin der Universität Basel ist es nun gelungen, ohne die Hilfe der heterotypischen Erkennungssequenzen genetische Konstrukte ins Genom zu integrieren. Die als «Dual-RMCE» bezeichnete Technologie macht sich dabei mit FRT und LoxP zwei Erkennungssequenzen zunutze, die in den Tausenden von bereits vorhandenen konditionellen Allelen in Stammzellen von Mäusen vorhanden sind.

Mit diesem doppelten Austauschverfahren wird zunächst eine bestimmte Sequenz entfernt, um eine Andockstelle für den Vektor («Genfähre») zu schaffen, der im darauffolgenden Schritt das Konstrukt in die Erbinformation einschleust. Damit lassen sich alle diese Allele ohne erneute homologe Rekombination modifizieren. Zudem wird mit der neuen Methode die Frequenz drastisch gesteigert, mit der die neue Information korrekt in das Genom integriert wird.

Präzise Modifikationen

Die Dual-RMCE-Technologie erleichtert die präzise genetische Veränderung von embryonalen Stammzellen bei Mäusen, aus denen dann zum Beispiel durch in-vitro Differenzierung bestimmte Zelltypen gewonnen werden können. Diese Anwendungen sind für die Analyse der molekularen Grundlagen von Gewebedifferenzierung aus Stammzellen (Tissue Engineering) von grosser Bedeutung.

Mit dem Verfahren lassen sich aber auch krankheitserzeugende Mutationen in embryonale Stammzellen einführen und präzise Mausmodelle für menschliche Erkrankungen schaffen – zum Beispiel für die Erforschung von Tumoren oder degenerative Erkrankungen.

Schliesslich können Forscher mit der Dual-RMCE-Methode auch Proteine markieren, was es erlaubt, ihre Interaktionen und Funktionen im lebenden Organismus zu studieren – und dies viel genauer und mit weniger Aufwand als bisher.

Zum Patent angemeldet

Die von den Basler Forschern entwickelte Technologie hat grosses Potential sowohl für die Grundlagen- als auch für die angewandte Forschung. Deshalb hat die Universität Basel die Dual-RMCE-Technologie zum Patent angemeldet.

Originalbeitrag:
Marco Osterwalder, Antonella Galli, Barry Rosen, William C Skarnes, Rolf Zeller & Javier Lopez-Rios
Dual RMCE for efficient re-engineering of mouse mutant alleles
Nature Methods, Published online 17 October 2010 | doi: 10.1038/nmeth.1521

Externer Link: www.unibas.ch

Elektronische Suchhilfe für Eltern

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Oktober 2010

Ein kurzer Anruf und schon ist geklärt, wo sich das Kind gerade aufhält: Der »Kidfinder« gibt Auskunft via SMS. Integrierbar in eine Spielekonsole kombiniert das Ortungsgerät GPS-Peilung mit GSM-Tracking. Im günstigsten Fall ermittelt es den Standort der gesuchten Person auf wenige Meter genau.

Wo bleibt Tobias? Der Achtjährige sollte seit einer halben Stunde zu Hause sein. Seine Mutter greift zum Telefon, ruft den »Kidfinder« ihres Sohnes an, übermittelt ihr Passwort und bekommt sofort eine SMS mit Tobias’ Positionsdaten. An den Koordinaten erkennt sie: Ihr Jüngster hat einen kleinen Umweg zum Bach gemacht und beim Spielen am Wasser die Zeit vergessen. Anders als reine Handy-Ortungssysteme nutzt der »Kidfinder« sowohl das GSM-Netz (Global System for Mobile Communications) für den Mobilfunk als auch das Global Positioning System GPS zur Positionsbestimmung. »Diese Kombination aus GSM und GPS ermöglicht eine zuverlässige Ortung, egal, ob sich die gesuchte Person im Freien oder innerhalb eines Gebäudes aufhält«, erklärt Carsten Hoherz vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin. Ist das Kind draußen unterwegs, wird seine Position via GPS mit einer Genauigkeit von bis zu fünf Metern bestimmt. Die GPS-Peilung über mehrere Satelliten arbeitet hier wesentlich genauer als die Ortung via GSM. Diese verrät lediglich, in welcher Mobilfunk-Zelle sich ein Nutzer gerade aufhält. Andererseits ist ein Mobilfunk-Empfang meist auch im Inneren von Gebäuden möglich, während GPS-Signale generell nicht durch Wände und Dächer dringen. Bereits in Häuserschluchten verringert sich die Ortungsgenauigkeit von GPS durch Signalreflexionen erheblich.

Ursprünglich hatten die Wissenschaftler des IZM ihr »Hosentaschen-GSM/GPS-System« entwickelt, um Fracht oder Fahrzeuge zu orten. Für solche Anwendungen enthalten die Geräte zwar dieselbe Technik, sind jedoch etwas größer und schwerer. Entsprechend bieten sie mehr Raum für leistungsstärkere Antennen und Akkus. Beim »Kidfinder« waren die Entwickler dagegen Beschränkungen unterworfen. Schließlich sollte das Gerät den Kindern nicht zur Last fallen. Sie sollten es vielmehr gerne und freiwillig bei sich tragen. Aus diesen Überlegungen entstand die Idee, das Ortungsgerät mit einer tragbaren Spielkonsole zu verbinden. »So etwas nehmen Kinder von sich aus lieber mit als ein Extragerät, das für sie keinen Nutzen hat«, erklärt Hoherz. Der »Kidfinder« ist nicht viel größer als eine aufgeklappte Streichholzschachtel und wiegt weniger als 80 Gramm. Das Leichtgewicht passt genau in den Reserve-Slot einer gängigen Spielkonsole. Sein Akku mit einer Kapazität von 400 mAh reicht für eine Betriebsdauer von zwei Tagen. Er lässt sich über die Konsole aufladen. Das Ortungsmodul bietet die Option, den Funktionsumfang der Konsole zu erweitern, indem es Ortsinformationen für Geländespiele zur Verfügung stellt.

Der »Kidfinder« entstand in einem gemeinsamen Projekt des IZM mit dem Potsdamer Ingenieurbüro Schmidt. Das Ortungsgerät reagiert nicht nur auf Anfragen der Eltern, es überwacht auch selbstständig eine antrainierte Zone – beispielsweise den Schulweg – und sendet eine Nachricht, wenn das Kind diese Zone verlässt. Bei Bedarf überträgt eine Visualisierungssoftware des Ingenieurbüros Schmidt die Positionsangaben des Ortungsgeräts auf Karten für PCs oder Handhelds. Während die Weiterentwicklung des »Kidfinder« zur Marktreife in Händen des Potsdamer Projektpartners liegt, arbeiten die Fraunhofer-Forscher bereits daran, das Gerät noch kleiner zu machen. Es soll in ein Armband oder einen Gürtel für Demenzkranke integriert werden, die leicht die Orientierung verlieren und dann auf Hilfe angewiesen sind.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Elektronen-Billard im Quantenschaltkreis

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Pressemitteilung der TU München vom 19.10.2010

Charakterisierung von Photo-Elektronen mit Quantenpunktkontakten:

Das Prinzip der Solarzelle ist seit vielen Jahren bekannt: Die Sonnenstrahlung befördert Elektronen auf ein höheres Energieniveau, löst sie so aus dem Atomverbund und Strom beginnt zu fließen. Im Rahmen einer Kooperation mit Physikern der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität Augsburg haben Wissenschaftler um Professor Alexander Holleitner, Physiker an der Technischen Universität München (TUM), nun eine Methode entwickelt, mit der sie analysieren können, wie sich die photogenerierten Elektronen in kleinsten Photodetektoren räumlich bewegen. In der aktuellen Ausgabe des Magazins Nano Letters stellen sie ihre Forschungsergebnisse vor.

Das Kernstück der Methode bildet ein sogenannter Quantenpunktkontakt (QPC). Dabei handelt es sich um einen schmalen, elektrisch leitenden Kanal in einem Halbleiter-Schaltkreis. Die Wissenschaftler strukturierten den Kanal mit etwa 70 Nanometern derart schmal, dass er vergleichbar ist mit der Elektronenwellenlänge im Halbleitermaterial. Der Trick dabei ist, dass immer nur ein Elektron durch den Kanal passt und man daher den elektrischen Strom mit hoher Präzision vermessen kann. In der aktuellen Veröffentlichung wurde diese Methode nun erstmals auf photogenerierte Elektronen angewendet.

Im Versuchsaufbau bringt statt der Sonne ein Laserstrahl die Elektronen in den angeregten Zustand. Anschließend werden diese Elektronen durch Einsatz des Quantenpunktkontakts analysiert. Dabei konnten die Wissenschaftler erstmals zeigen, dass photogenerierte Elektronen einige Mikrometer weit laufen können, ohne an Kristallatome zu stoßen. Sie stellten zudem fest, dass die geometrische Form der Schaltkreise die Laufbahnen der Elektronen stark beeinflussen kann: Diese können sogar „um die Ecke“ laufen, indem sie wie Billardkugeln an den Schaltkreis-Rändern reflektiert werden.

Die Erkenntnisse und Analysemöglichkeiten, die die neu entwickelte Methode liefert, sind für eine Reihe von Anwendungen von Bedeutung. Dazu gehört insbesondere die Weiterentwicklung elektronischer Bauteile, wie zum Beispiel Photodetektoren, Transistoren wie den „High electron mobility transistors (HEMT)“ sowie von Elementen, die den magnetischen Freiheitsgrad (Spin) von Elektronen zur Verarbeitung von Informationen nutzen.

Neben der Arbeitsgruppe von Professor Holleitner waren an der Forschungsarbeit auch Wissenschaftler um Professor Jörg Kotthaus (Ludwig-Maximilians-Universität München) und Professor Peter Hänggi (Universität Augsburg) beteiligt. Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln des Exzellenzclusters Nansystems Initiative Munich (NIM), durch das Bundesforschungsministerium (nanoQUIT), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Ho 3324/4), das Center for NanoScience (CeNS) und LMUexcellent.

Publikation:
Spatially resolved ballistic optoelectronic transport measured by quantized photocurrent spectroscopy, Klaus-Dieter Hof, Franz J. Kaiser, Markus Stallhofer, Dieter Schuh, Werner Wegscheider, Peter Hänggi, Sigmund Kohler, Jorg P. Kotthaus und Alexander W. Holleitner; Nano Lett., 2010, 10 (10), pp 3836–3840

Externer Link: www.tu-muenchen.de

„Feintuning“ organischer Halbleiter: Steirische Wissenschaftler entwickeln photochemisches Verfahren

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Medieninfo der TU Graz vom 18.10.2010

Interdisziplinäre Forschergruppe veröffentlicht Ergebnisse in renommierter Zeitschrift „Advanced Materials“

Physiker und Chemiker der TU Graz beschäftigen sich bereits seit vielen Jahren mit dem Forschungsgebiet „Organische Elektronik“ und seit einiger Zeit auch mit darauf basierenden Dünnfilmtransistoren. Vor zwei Jahren gelang ihnen bereits eine fundamentale Erkenntnis: Der Nachweis, wie sich durch eine chemische Reaktion an einer maßgeschneiderten Zwischenschicht die Leitfähigkeit von organischen Halbleitern entscheidend verändern lässt. Nun gingen sie einen Schritt weiter: Im Rahmen einer Kooperation mit Chemikern der Montanuniversität Leoben und Materialwissenschaftlern von Joanneum Research entwickelten sie ein photochemisches Verfahren, das es erlaubt, durch unterschiedliche Belichtungszeiten Schaltungen zu steuern. Die jüngsten Forschungsergebnisse erschienen kürzlich in „Advanced Materials“, einer der bedeutendsten Zeitschriften im Bereich der modernen Materialwissenschaften.

Dünnfilmtransistoren haben die Welt der Elektronik erobert: Man findet sie etwa in Mobiltelefonen oder Digitalkameras. Spezielle Dünnfilmtransistoren, die künftig noch mehr an Bedeutung gewinnen werden, basieren dabei auf organischen Halbleitermaterialien. Ihre Vorteile: Sie lassen sich effizient, kostengünstig und über große Flächen herstellen und können beispielsweise auch auf flexiblen Substraten hergestellt werden. Dem stehen jedoch einige Nachteile im Vergleich zu konventionellen Siliziumtransistoren gegenüber, die die Herstellung komplexer Schaltungen erschweren. „Wir haben bereits vor zwei Jahren herausgefunden, wie man durch ein so genanntes ‚chemisches Dotieren‘ mit Hilfe einer Zwischenschicht die elektronischen Eigenschaften der organischer Transistoren kontrollieren kann“, erläutert der Physiker Egbert Zojer von der TU Graz. Was zum Einsatz in Schaltungen noch fehlte, war ein neues Verfahren, mit dem man die Dotierung der Transistoren gezielt einstellen konnte. Bereits bestehende Methoden lieferten nicht den gewünschten Effekt.

Gemeinsam mit Chemikern der Montanuni Leoben, unter der Federführung von Thomas Griesser, sowie dem Team der Materialwissenschaftlerin Barbara Stadlober von Joanneum Research gelang den Physikern der TU Graz jetzt der Durchbruch: Durch den Einsatz speziell entwickelter Zwischenschichten lässt sich der Dotiergrad des organischen Halbleiters durch Belichtung gezielt einstellen. Möglich machen das so nannte Photosäuren, die sich erst durch die Belichtung bilden und als Folge der Wechselwirkung mit dem organischen Halbleiter dessen Eigenschaften kontrollieren. Diese Methode ist ideal mit fotolithographischen Techniken kompatibel, wie sie standardmäßig in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden.

Originalarbeit:
Tuning the Threshold Voltage in Organic Thin-Film Transistors by Local Channel Doping Unsing Photoreactive Interfacial Layers. M. Marchl, M. Edler, B. Stadlober, A. Haase, A. Fian, G. Trimmel, T. Griesser, E. Zojer. On-line publiziert in Advanced Materials am 8. Oktober 2010

Externer Link: www.tugraz.at