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Dreidimensionale »Biskuitrolle«: Magnetische, selbstorganisierende 3D-Mikroelektronik

Mikroelektronische Nanomembranen zeigen ein selbstorganisiertes Falten, das aber bislang zu starken statistischen Schwankungen unterliegt, um verlässlich dreidimensionale Mikroelektronik herzustellen. Nun haben Forscher aus Dresden und Chemnitz einen möglichen Lösungsansatz entwickelt.

Reinraum Bildquelle: © Jürgen Lösel/IFW Dresden

Reinraum für die Herstellung dünner Schichten für die Mikroelektronik.

Mikroelektronische Bauelemente wie Mikrobatterien, Spulen und Transformatoren würden von der Möglichkeit zur gesteuerten Herstellung mikroelektronischer, dreidimensionaler Schichtsysteme profitieren. In dem neuen Ansatz wird zunächst ein zweidimensionales Design erstellt und danach ein »Selbstorganisationsprozess« des Materials angestoßen, z.B. durch den Abbau von Verspannungen in einem Schichtsystem, was eine dreidimensionale Architektur ergibt.

Oliver G. Schmidt, Träger des Leibniz-Preises und Leiter des Institutes für Integrative Nanowissenschaften am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, hat als Professor für Materialsysteme an der Technischen Universität Chemnitz das dortige Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) initiiert. Er erklärt:

"Biskuitrollen"-Baugruppe Bildquelle: © Felix Gabler et al, Nature Communications, Springer Nature, 8. Juli 2019,(CC BY 4.0)

1 a) "Swiss-roll"-Montageprozess, mit einer zunächst planaren Struktur einer bestimmten Form (rechteckig oder trapezförmig). b) Freiheitsgrade, die für die "Swiss-roll"-Architektur während des Montageprozesses zur Verfügung stehen.

„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“.

Eine Art magnetischer Fernsteuerung, ein von außen angelegtes Magnetfeld, sorgt im Verfahren für das Aufwickeln der Nanomembranen. Damit ist es erstmals 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.

Die so hergestellten Mikro-Energiespeicherelemente weisen gute Kenndaten auf und sind extrem leicht und kompakt. Neuartige Mikrobatterien oder passive elektronische Bauelementen wie Kondensatoren, Induktoren und Transformatoren könnten von dem Verfahren profitieren. Die Forschungsergebnisse sind in Nature Communications 10, 3013 (2019) veröffentlicht.