Magnetisches Origami für die Mikroelektronik

Forscher aus Dresden und Chemnitz berichten in der Fachzeitschrift „nature communications“ über neue Methode zur Herstellung hochpotenter dreidimensionaler Mikroelektronik

Die Entwicklung dreidimensionaler Mikroelektronik mit exzellenter Leistungsfähigkeit stellt Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftler sowie Ingenieurinnen und Ingenieure gleichermaßen vor enorme Herausforderungen. Nach neuen Verfahren wird händeringend gesucht. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Nanomembranen, das aber starken statistischen Schwankungen unterliegt. Darunter leidet die Ausbeute und Zuverlässigkeit sogenannter mikroskopischer Origami-Strukturen, die den hohen Ansprüchen der Mikroelektronik nicht genügen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass sich noch kein industriell einsetzbares Verfahren etabliert hat, das eine zuverlässige und kostengünstige Produktion von selbstorganisierten dreidimensionalen Bauelementen ermöglicht.

In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ stellen nun Wissenschaftler um Prof. Dr. Oliver G. Schmidt eine neue Möglichkeit vor, Nanomembranen zu dreidimensionalen mikroelektronischen Bauelementen zu falten. Oliver G. Schmidt leitet im Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden das Institut für Integrative Nanowissenschaften und hat als Professor für Materialsysteme an der Technischen Universität Chemnitz das dortige Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) initiiert. Schmidt ist zudem Träger des Leibniz-Preises, dem wichtigsten Forschungsförderpreis in Deutschland.

„Mit dieser Methode haben wir ein großes Problem der 3D-Herstellung von Architekturen aus mikroelektronischen Nanomembranen gelöst. Die Herstellung kann durch die magnetische Origami-Methode nun zuverlässig durchgeführt werden und hochleistungsfähige mikroelektronische Bauelemente erzeugen. Eine besondere Herausforderung bleibt die Hochskalierung der Technologie für eine Massenfertigung“, ordnet Prof. Schmidt die Ergebnisse ein. 

3D-Energiespeicherelemente mit exzellenten Leistungsdaten entstehen

In dem Verfahren nutzen die Forscher die denkbar einfachste Möglichkeit des Faltens, nämlich das bekannte und seit vielen Jahren etablierte Aufwickeln der Nanomembranen. Zentraler neuer Bestandteil ist die Entwicklung einer Art magnetischer Fernsteuerung, mit der sich der Falt- oder Aufwickelprozess durch ein von außen angelegtes Magnetfeld programmieren und gezielt steuern lässt. Zum ersten Mal ist es gelungen, die dreidimensionale Anordnung von Nanomembranen reproduzierbar und kontrolliert über große Längenskalen im Bereich von Zentimetern zu realisieren und dabei eine Ausbeute von mehr als 90 Prozent zu erreichen.

Mit dieser neuen Methode von magnetischen Origami-Strukturen haben die Forscher dreidimensionale Mikro-Energiespeicherelemente hergestellt, die exzellente Kenndaten aufweisen und extrem leicht und kompakt sind. Diese Ergebnisse zeigen eindrucksvoll das Potenzial der magnetfeldunterstützten Faltung von Nanomembranen. Die Vorteile des magnetischen Mikro-Origami kommen ganz besonders zum Tragen, wenn gut ausgerichtete dreidimensionale Strukturen mit vielen Wicklungen von Nanomembranen erforderlich sind. Dies ist zum Beispiel bei neuartigen Mikrobatterien oder passiven elektronischen Bauelementen wie Kondensatoren, Induktoren und Transformatoren der Fall.

Hintergrund: Selbstorganisiertes Falten mikroelektronischer Schichtsysteme

Die etablierte Mikroelektronik beruht auf Komponenten, die in zwei Dimensionen definiert und Schicht für Schicht aufgebaut werden. Für viele mikroelektronische Bauelemente wie Mikrobatterien, Spulen und Transformatoren stellt dieses Verfahren aber keine optimale Lösung dar. Vor allem deshalb, weil die Herstellung der Bauteile zu aufwendig ist oder die Leistungsspezifikationen nicht erreicht werden können. Daher wird nach komplett neuen Ansätzen gesucht, die dritte Dimension zu erobern.

Ein solcher Ansatz stellt das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Schichtsystemen dar. Die Schichtsysteme werden zunächst mit etablierten Techniken in zwei Dimensionen definiert und transformieren sich anschließend von selbst zu dreidimensionalen Origami-Architekturen. Diese sogenannte „Selbstorganisation“ wird zum Beispiel durch den gezielten Abbau von Verspannung in den Schichtsystemen ausgelöst. Das heißt, die Strukturen schnappen wie eine aufgespannte Feder automatisch zusammen, wenn man sie aus der Verankerung löst.

Multimedia: Eine Animation verdeutlicht das Prinzip des magnetischen Aufrollens zur Herstellung hochpotenter dreidimensionaler Mikroelektronik. Das Video ist im YouTube-Kanal der TU Chemnitz verfügbar.

Originalveröffentlichung: 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

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Leibniz-Institut für Festkörper und Werkstoffforschung Dresden e.V. und Technische Universität Chemnitz, Tel. +49 (0) 351 4659-810, E-Mail o.schmidt@ifw-dresden.de

Matthias Fejes
08.07.2019

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