Magnetisches Origami erschafft leistungsstarke Mikrobauteile

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Schematische Darstellung der Montage der "Swiss-roll"-Baugruppe.
Schematische Darstellung der Montage der "Swiss-roll"-Baugruppe. (Bild: F.Gabler et. al: Nature Communications, volume 10, Article number: 3013 (2019))

Forscher aus Dresden und Chemnitz berichten in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ über eine neue Methode zur Herstellung dreidimensionaler Mikroelektronik. Die Technologie ist inspiriert von einer alten Falttechnik.

Die konsequente Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente erfordert eine ebenso konsequente Weiterentwicklung von Mikro­energie­speicher­technologien. Elektrostatische und elektrolytische Kondensatoren kommen in elektronischen Schaltungen sehr häufig vor und sind somit entscheidend für die Größen- und Gewichtsgrenzen des Gesamtsystems.

Die etablierte Mikroelektronik beruht auf Komponenten, die in zwei Dimensionen definiert und anschließend 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 „self assembly“ (Selbstorganisation) von zweidimensionalen Strukturen dar. Als Beispiele dafür sei die Selbstorganisation von Nanodrähten auf Basis des Erbinformationsmoleküls DNA, oder die Kombination von Falt- und Schnitt-Techniken, mit deren Hilfe Dehnbare „Kirigami“-Batterien für flexiblere Wearables entwickelt werden, genannt.

Ein weiteres Verfahren ist das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Nanomembranen. Die Schichtsysteme werden zunächst mit etablierten Techniken in zwei Dimensionen definiert und transformieren sich anschließend von selbst zu dreidimensionalen Origami-Architekturen. Diese 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.

Die einfachste Möglichkeit des Faltens stellt dabei das Aufwickeln der Nanomembran dar, wodurch Kondensatoren mit einem hohem volumetrischen Wirkungsgrad und hohen Kapazitätsdichten hergestellt werden können. Um die Leistung der 3D-Energiespeicher zu verbessern eignen sich vor allem Nanomembranen mit hohem Aspektverhältnis. Die zuverlässige und reproduzierbare Selbstorganisation solcher Nanomembranen ist jedoch eine herausfordernde Aufgabe, da winzige Schwankungen im Entstehungsprozess zu großen Abweichungen in der endgültigen Form und Struktur der Kondensatoren führen.

Magnetische Steuerung statt spannungsgetriebener Ansatz

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.

Zentraler neuer Bestandteil ist die Entwicklung einer Art magnetischer Fernsteuerung, mit der sich der Falt- oder Aufwickelprozess durch ein von außen angelegtes Magnetfeld (statische und dynamische Magnetfelder) programmieren und gezielt steuern lässt. So ist es zum ersten Mal 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.

Schematische Darstellung der "Swiss-roll"-Baugruppe: a) "Swiss-roll"-Montageprozess, der mit einer planaren Struktur einer bestimmten Form beginnt, entweder rechteckig oder trapezförmig; b) Freiheitsgrade, die für die "Swiss-roll"-Architektur während des Montageprozesses zur Verfügung stehen; c) Axiale magnetfeldunterstützte Selbstmontage einer "Swiss-roll", bei der magnetostatische Kräfte eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung der Baugruppe spielen; d) Radiale magnetfeldunterstützte Anordnung einer "Swiss-roll", bei der das Walzen der Nanomembran mit einem selbst montierten Rotor in einem rotierenden externen Magnetfeld erfolgt.
Schematische Darstellung der "Swiss-roll"-Baugruppe: a) "Swiss-roll"-Montageprozess, der mit einer planaren Struktur einer bestimmten Form beginnt, entweder rechteckig oder trapezförmig; b) Freiheitsgrade, die für die "Swiss-roll"-Architektur während des Montageprozesses zur Verfügung stehen; c) Axiale magnetfeldunterstützte Selbstmontage einer "Swiss-roll", bei der magnetostatische Kräfte eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung der Baugruppe spielen; d) Radiale magnetfeldunterstützte Anordnung einer "Swiss-roll", bei der das Walzen der Nanomembran mit einem selbst montierten Rotor in einem rotierenden externen Magnetfeld erfolgt. (Bild: F.Gabler et. al:Nature Communicationsvolume 10, Article number: 3013 (2019))

Die 3D-Montage von Nanomembranen wurde über große Längenskalen im Zentimeterbereich reproduzierbar und kontrolliert durchgeführt, wodurch das volle Potenzial des magnetischen Mikro-Origami für On-Chip-Fertigungsprozesse ausgeschöpft wurde. Magnetische Mikro-Origami könnten ein entscheidender Faktor sein, wenn Architekturen mit kompakten, gut ausgerichteten und mehrfachen Rotationen von strukturierten Nanomembranen erforderlich sind, wie beispielsweise photonische 3D-Kristalle, zylindrische Metamaterialien oder passive elektronische Vorrichtungen, einschließlich Induktoren und Transformatoren.

Mit dieser neuen Methode von magnetischen Origami-Strukturen haben die Forscher dreidimensionale, leistungsstarke Mikro-Energiespeicherelemente hergestellt, die extrem leicht und kompakt sind. Diese Ergebnisse zeigen 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.

Originalveröffentlichung:
F. Gabler et. al: Magnetic origami creates high performance micro devices, Nature Communications 2019. DOI:10.1038/s41467-019-10947-x

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