5. Juli 2019

Magnetisches Origami für die Mikroelektronik

Eine alte Falttechnik inspirierte Wissenschaftler zu neuen Technologien.

Die Entwicklung dreidimensionaler Mikroelektronik mit exzellenter Leistungsfähigkeit stellt Forschung und Industrie vor enorme Herausforderungen. Nach neuen Verfahren wird händeringend gesucht. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Nanomembranen. Es unterliegt aber starken statistischen Schwankungen. Darunter leidet die Ausbeute und Zuverlässigkeit sogenannter mikroskopischer Origami-Strukturen. Sie genügen den hohen Ansprüchen der Mikroelektronik nicht. Daher etablierte sich auch bisher noch kein industriell einsetzbares Verfahren, das eine zuverlässige und kostengünstige Produktion von selbstorganisierten dreidimensionalen Bauelementen ermöglicht.

In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ stellen nun Wissenschaftler um Prof. Dr. Oliver Schmidt eine neue Möglichkeit vor, Nanomembrane zu dreidimensionalen mikroelektronischen Bauelementen zu falten. Schmidt leitet im Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) das Institut für Integrative Nanowissenschaften. Als Professor für Materialsysteme an der TU Chemnitz initiierte er das dortige Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN).

„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
In dem Verfahren nutzen die Forscher die denkbar einfachste Möglichkeit des Faltens: 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 gelang es, die dreidimensionale Anordnung von Nanomembranen reproduzierbar und kontrolliert über große Längenskalen im Bereich von Zentimetern zu realisieren. Dabei erreichen die Forscher eine Ausbeute von mehr als 90 Prozent.

Mit dieser neuen Methode von magnetischen Origami-Strukturen stellten die Wissenschaftler dreidimensionale Mikro-Energiespeicherelemente her. Die Speicherelemente weisen exzellente Kenndaten auf. Dazu sind sie extrem leicht und kompakt. 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.

Erfahren Sie mehr zu den magnetischen Origami-Strukturen und der Herstellung dreidimensionale Mikro-Energiespeicherelemente in den Mitteilungen des Leibniz IFW Dresden. Ein Video zu den mikromagnetischen Origami-Strukturen können Sie sich auf dem YouTube-Kanal des IFW ansehen.


Foto ©O.G. Schmidt/Leibniz IFW Dresden: Magnetische Fernsteuerung zur Programmierung und Kontrolle des Aufrollens.

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