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Bisher Unverträgliches harmoniert: Sensoren, Aktoren und Energy-Harvesting kombiniert

Dünne Schichten mit speziellen Eigenschaften lassen sich jetzt zu Chips zu kombinieren, die Daten aufnehmen, über Funk verschicken und sich selbst versorgen können.

MIT Bildquelle: © MIT

Jetzt können sehr dünne Schichten mit speziell zugeschnittenen Eigenschaften kostengünstig gefertigt werden. Sie lassen sich zu IoT-Komponenten kombinieren, die auf kleinsten Raum beispielweise Daten sammeln, bearbeiten, über Funk weitergeben – und die Energie dazu auch noch selber ernten.

Wissenschaftlern des MIT und der University of Wisconsin ist es gelungen, dünne Filme aus Halbleitern auf dicken Wafern aus demselben Material aufwachsen zu lassen. Der Trick: Auf dem Wafer scheiden sie zuvor eine dünne Lage Graphene ab. Erst dann wächst über das »Remote-Epitaxy«-Verfahren die eigentliche Halbleiterfilm. Diese Schicht übernimmt das Kristallgitter des Basiswafers, lässt sich aber sehr einfach vom Wafer abziehen, nachdem sie fertig ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich eine beliebige Zahl dieser Filme auf ein und demselben Ausgangs-Wafer herstellen. Das ist ein großer Vorteil, denn je nach Material können die Wafer sehr teuer sein.

Mit Hilfe der »Remote-Epitaxy«-Methode lassen sich nicht nur Filme aus unterschiedlichen Materialien herstellen, diese Filme können die Wissenschaftler auch übereinanderstapeln, um die Funktionen zu definieren. Auf diese Weise lassen sich multifunktionale flexible elektronische Komponenten realisieren. Die dehnbaren Filme ließen sich beispielsweise auf Kontaktlinsen aufbringen, um sie für Virtual Reality zu machen. Eine andere Möglichkeit wäre, auf diese Weise fotoempfindliche Folien herzustellen, die sich auf Fahrzeuge aufbringen lassen und die Umgebungslicht in Strom umwandeln. Eine weitere Idee wäre, elektronische Stoffe herzustellen, die sich an die jeweiligen Wetterbedingungen müssen.

»Auf diese Weise lassen sich verschiedene halbleitende Materialien kombinieren, um so flexible beliebig geformte Chips mit maßgeschneiderten Eigenschaften aufbauen zu können«, sagt Jeehwan Kim, Associate Professor of Mechanical Engineering am MIT.

Schon 2017 haben Kim und sein Team gezeigt, dass sich auf dem mit dem Graphen-Schicht Atome abscheiden lassen, die sich dann zu Kristallen derselben Struktur Formen wie die Kristalle des darunter liegenden Wafers. 2018 gelang es den Wissenschaftlern, halbleitende Materialien aus den Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems herzustellen. Allerdings gelang das nicht mit den Elementen der vierten Hauptgruppe. Dafür dehnten sie ihre Experimente auf immer exotischere Halbleitermaterialien aus, die sich aus Sauerstoff und mindestens zwei weiteren Elementen zusammensetzen.

Sie zeichnen sich durch unterschiedliche magnetische und elektrische Eigenschaften aus und können beispielsweise Ströme generieren, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt oder gedehnt werden. Das öffne laut Kim die Tür zu neuen Komponenten für Energy Harvesting. Solche komplexen Oxidmaterialien konnten bisher nur als unbiegsame millimeterdicke Wafer erstellt werden.

Ein Beispiel für ein solches Oxidmaterial ist Strontiumtitanat. Um einen solchen Film herzstellen, ließen die Forscher Sauerstoffatome über die Graphene-Schicht streifen, die dazu tendieren, sich mit den Kohlenstoffatomen zu verbinden. Dabei aber ätzend sie Teile der Graphene-Schicht weg, anstatt sich in der Kristallstruktur des Basiswafers aufzuwachsen. Stattdessen verbanden sie sich mit Strontium und Titan. Allerdings fanden sie einen einfachen Trick, um dies zu verhindern:

Die fügten einfach eine zweite Graphene-Schicht hinzu. Während die erste Graphene-Schicht weggeätzt wurde, hatten sich die Sauerstoffatome aber schon zum großen Teil mit den übrigen Materiklein zu den gewünschten Oxiden verbunden, die dann nicht mehr so stark mit dem Graphene reagierten. Mit der zweiten Schicht konnten wir uns also die Zeit kaufen, die die Oxide benötigen, um sich zu bilden. Sagt Kim.

Auf diese Weise erstellte das Team um Kim 100 nm dicke Schichten aus verschiedenen Oxiden. Diese Schichten lassen sich zu einem Chip zusammenfügen, indem sie leicht erhitzt werden, wodurch sie  verkleben. Das führt zu multifunktionalen, flexiblen Komponenten. Wie das konkret aussieht, haben die Wisscnschaftler am Beispiel einer Kombination aus Kobaltferrit und PMN-PT gezeigt. Bisher wäre es kaum möglich gewesen, diese beiden Materialien mit unterschiedlichen Kristallstrukturen zu kombinieren. Kobaltferrit dehnt sich in einem Magnetfeld aus. PMN-PT erzeugt eine elektrische Spannung, wen es gedehnt wird.  

Auf Basis des »Remote-Epitaxy«-Verfahren konnten die Forscher die Schichten getrennt erzeugen und mehrere von ihnen anschließend übereinanderstapeln und zu einem Chip verkleben. Einem Magnetfeld ausgesetzt, dehnten sich die Kobaltferritschichten aus und dehnten die PMN-PT-Schichten, so dass der Chip eine elektrische Spannung erzeugte. In  den bisherigen Verfahren, in denen die jeweiligen Schichten bei hoher Temperatur auf jeweils einem Wafer wachsen, lassen sich nur dann Schichten kombinieren, wenn ihre Kristallgitter zusammen passen. »Wir dagegen können jetzt vollkommen unterschiedliche Materialien kombinieren. Sie lassen sich zu flexiblen Systemen verbinden, die Sensoren, Prozessoren, Batterien, Solarzellen enthalten. Damit lassen sich flexible IoT-Komponenten aufbauen, die sich selber mit Energie versorgen.« Sein Team arbeitet gerade an einem Prototypen eines »Elektronischen Tattoos«, ein transparenter Chip, der auf die Haut aufgebracht, Vitaldaten wie Temperatur und Puls über Sensoren aufnehmen und über Funk verschicken kann.