Selbstorganisation: Origami für die Mikroelektronik

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Kleiner ist besser – auch und ganz besonders in der Mikroelektronik. Damit das auch in Zukunft realisierbar bleibt, soll nun eine verblüffende „Falttechnik“ die dritte Dimension erobern.

Die Komponenten aktueller Mikroelektronik entstehen Schicht für Schicht auf Basis einer zweidimensionalen Vorlage. Für Bauelemente wie etwa Mikrobatterien, Spulen oder Transformatoren stellt dieses Verfahren aber keine optimale Lösung dar. Ihre Herstellung gestaltet sich damit zu aufwendig, und die geforderten Eigenschaften sind nur schwer zu erreichen. Daher suchen weltweit Wissenschaftler nach neuen Lösungen, die auch die dritte Dimension mit einbeziehen.

Eine mögliche Vorgehensweise dafür stellt das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Schichtsystemen dar. Diese verwandeln sich, nachdem sie zunächst mit etablierten Techniken zweidimensional festgelegt wurden, von selbst in dreidimensionale Origami-Architekturen. Als Auslöser einer sogenannten „Selbstorganisation“ dient zum Beispiel das gezielte Lösen von Verspannung in den Schichtsystemen. Strukturen schnappen dann etwa wie aufgespannte Federn automatisch zusammen, werden sie aus einer Verankerung gelöst.

Selbstorganisiertes Falten kommt unter anderem bei mikroelektronischen Nanomembranen zum Einsatz. Da jedoch die Ausbeute und Zuverlässigkeit dieser mikroskopischen Origami-Strukturen zu wünschen übrig lassen, etablierte sich bislang noch kein industrielles Verfahren.

3D-Energiespeicher durch Selbstorganisation

Das könnte sich nun ändern. Denn Wissenschaftler des Leibniz-Institutes für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden haben ein großes Problem bei der 3D-Herstellung von Architekturen aus mikroelektronischen Nanomembranen gelöst. Ihre „magnetische“ Origami-Methode ist nämlich in der Lage hochleistungsfähige mikroelektronische Bauelemente zuverlässig zu erzeugen.

Dafür nutzen die Forscher die denkbar einfachste Möglichkeit des Faltens, nämlich das seit vielen Jahren bekannte Aufwickeln von Nanomembranen. Neu ist dabei eine Art magnetischer Fernsteuerung, die den Prozess durch ein von außen angelegtes Magnetfeld programmiert und gezielt steuert. Damit konnte zum ersten Mal die dreidimensionale Anordnung von Nanomembranen reproduzierbar und kontrolliert über große Längenskalen im Bereich von Zentimetern bei einer Ausbeute von mehr als 90 Prozent realisiert werden.

Die mit dieser Methode hergestellten extrem leichten, dreidimensionalen Mikro-Energiespeicherelemente weisen exzellente Kenndaten auf. Seine Stärken spielt das magnetische Mikro-Origami ganz besonders bei gut ausgerichteten dreidimensionalen Strukturen mit vielen Wicklungen aus. Dies ist zum Beispiel bei neuartigen Mikrobatterien oder passiven elektronischen Bauelementen wie Kondensatoren, Induktoren und Transformatoren der Fall. Eine Herausforderung bleibt allerdings die Hochskalierung der Technologie für eine Massenfertigung.

Knowledge Base

Originalpublikation: Felix Gabler, Dmitriy D. Karnaushenko, Daniil Karnaushenko, Oliver G. Schmidt; Magnetic origami creates high performance micro devices, Nature Communications 2019. DOI:10.1038/s41467-019-10947-x

Artikel in der „nature“: https://www.nature.com/articles/s41467-019-10947-x

 

 

 

 

 

Mikroelektronik-Origami  (Bild: Jürgen Lösel/IFW Dresden).

Reinraum zur Herstellung dünner Schichten für die Mikroelektronik. (Bild: Jürgen Lösel/IFW Dresden).