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Origami für 3D-Mikroelektronik Magnete rollen Kondensatoren auf

| Redakteur: Christian Lüttmann

Winzige Röllchen aus Nanomembranen sind nicht leicht herzustellen. In der Mikroelektronik sind solche Strukturen aber die Basis für Bauelemente wie Kondensatoren, Induktoren und Transformatoren. Forscher der Universitäten Chemnitz und Dresden haben nun eine Methode entwickelt, die Nanomembranen von selbst aufdrehen lässt – per magnetischer Fernsteuerung.

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

Dresden – Die Entwicklung dreidimensionaler Mikroelektronik mit exzellenter Leistungsfähigkeit ist für Wissenschaftler sowie für Ingenieure gleichermaßen herausfordernd. Ein Verfahren, um dieses Ziel zu erreichen, ist z.B. das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Nanomembranen.

Das Problem dabei: Diese Methode, unterliegt starken statistischen Schwankungen. Darunter leidet die Ausbeute und Zuverlässigkeit so genannter mikroskopischer Origami-Strukturen, weshalb das Ergebnis dann nicht den hohen Ansprüchen der Mikroelektronik genügt. Ein industriell einsetzbares Verfahren, das eine zuverlässige und kostengünstige Produktion von selbstorganisierten dreidimensionalen Bauelementen ermöglicht, hat sich daher noch nicht etabliert.

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Magnetisches Origami für die Mikroelektronik

Wissenschaftler um Prof. Dr. Oliver G. Schmidt vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden stellen nun aber eine neue Möglichkeit vor, Nanomembranen mit hoher Präzision und Kontrolle zu dreidimensionalen mikroelektronischen Bauelementen zu falten. „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“, sagt Schmidt.

3D-Energiespeicherelemente – per Magnet gerollt

In dem Verfahren nutzen die Forscher die denkbar einfachste Möglichkeit des Faltens, die schon seit vielen Jahren bekannt und etabliert ist: Sie wickeln die Nanomembranen auf. Dazu haben sie eine Art magnetische Fernsteuerung entworfen, mit der sich der Falt- oder Aufwickelprozess programmieren und präzise steuern lässt. Dies gelingt durch ein von außen angelegtes Magnetfeld.

Das Video vom IFW Dresden veranschaulicht, wie das Aufwickeln der Nanomembran aussieht:

Zum ersten Mal ließ sich mit dieser Technik die dreidimensionale Anordnung von Nanomembranen reproduzierbar und kontrolliert über große Längenskalen im Bereich von Zentimetern realisieren – und das bei einer Ausbeute von mehr als 90 Prozent.

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Mikroelektronik in dritter Dimension: Falten von Schichtsystemen

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 aufwändig 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 so genannte „Selbstorganisation“ wird z.B. 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.

Falttechnik mit Potenzial

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 das Potenzial der magnetfeldunterstützten Faltung von Nanomembranen.

Die Vorteile des magnetischen Mikro-Origami kommen den Wissenschaftlern zufolge ganz besonders zum Tragen, wenn gut ausgerichtete dreidimensionale Strukturen mit vielen Wicklungen von Nanomembranen erforderlich sind. Dies ist z.B. bei neuartigen Mikrobatterien oder passiven elektronischen Bauelementen wie Kondensatoren, Induktoren und Transformatoren der Fall.

Originalpublikation: Felix Gabler, Dmitriy D. Karnaushenko, Daniil Karnaushenko, Oliver G. Schmidt: Magnetic origami creates high performance micro devices, Nature Communications volume 10, Article number: 3013 (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10947-x

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