Organische Sensorik Gassensoren zum Aufsprühen

Die Forscher demonstrierten die kostengünstige Produktion von Sensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem kleinen Sprühroboter. Das Verfahren kann einfach auf die Produktion in industriellem Maßstab skaliert werden.
Unter der Leitung von Dr.-Ing. Alaa Abdellah wurden an der TUM flexible Gassensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwickelt. Mit diesem neuartigen Fertigungsverfahren können die Sensoren in Zukunft viel wirtschaftlicher produziert werden als bisher.

Wissenschaftler der TU München haben eine völlig neue Art entwickelt, hochleistungsfähige Sensoren kostengünstig herzustellen: Dazu haben sie Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwickelt, die wie Tinte großflächig auf biegsame Plastikfolie oder andere Substrate gesprüht werden.

Paradebeispiel für eine praktische Anwendung der neuen Technologie ist ein Gassensor, der beispielsweise in das Verpackungsmaterial von Lebensmitteln integriert werden könnte, um die Frische der Ware zu messen oder auch - in drahtlose Sensoren eingebaut - die Luftqualität prüfen könnte. An neuen Arten von Solarzellen und biegsamen Transistoren wird ebenfalls gearbeitet, ebenso an Druck- und Temperatursensoren, die Eingang in elektronische Roboterhaut oder in Bionik-Anwendungen finden könnten.

Die an der Technischen Universität München (TUM) entwickelten Gassensoren auf Grundlage der Kohlenstoff-Nanoröhrchen übertreffen andere Technologien mit ihrer einzigartigen Kombination von Merkmalen: Sie registrieren sofort und reagieren kontinuierlich auf kleinste Veränderungen der Konzentration von Gasen wie Ammoniak, Kohlendioxid und Stickstoffoxid. Sie arbeiten bei Raumtemperatur und verbrauchen kaum Energie. Und nicht zuletzt lassen sich solche Bauelemente mit großflächigen und kostengünstigen Verfahren auf flexible Substrate sprühen.

Der Aufbau

Wichtigster Baustein dieser Technologie ist ein einziges zylinderförmiges Molekül, bestehend aus einer aufgerollten Schicht wabenartig miteinander verbundener Kohlenstoffatome. Dieses so genannte Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist so etwas wie ein unvorstellbar langer Gartenschlauch. Diese Hohlkörper haben einen Durchmesser von nur etwa einem Nanometer, können aber viele Millionen Male länger als dick sein. In einem dünnen Film ausgebreitete und beliebig ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen bilden leitfähige Netze, die als Elektroden dienen können. Strukturierte und geschichtete Filme können als Sensoren oder Transistoren verwendet werden. »Der elektrische Widerstand dieser Filme kann tatsächlich mit einer externen Spannung oder durch die Adsorption von Gasmolekülen moduliert werden«, erklärt Institutsleiter Professor Paolo Lugli.

Einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen weisen erstaunliche und nützliche Eigenschaften auf. Im vorliegenden Fall allerdings interessiert die Forscher vor allem, was man mit großen Massen an Kohlenstoff-Nanoröhrchen anstellen kann.

Sieht aus wie schwarze Tinte

Insbesondere als Basismaterial für Gassensoren vereinen Kohlenstoff-Nanoröhrchen die Vorteile (und vermeiden die Nachteile) herkömmlicher Materialen, zum Beispiel leitender Polymere oder fester Metalloxid-Halbleiter. Bisher fehlte jedoch ein zuverlässiges, reproduzierbares und kostengünstiges Produktionsverfahren. Diese Lücke wird jetzt durch Aufsprühen und – falls erforderlich – durch ergänzenden Transferdruck geschlossen. Eine wässrige Lösung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen sieht wie eine Flasche schwarzer Tinte aus und kann auf ähnliche Weise gehandhabt werden. So können Bauelemente durch eine computergesteuerte Roboterdüse praktisch auf jede Art von Substrat gesprüht werden, auch auf großflächige Plastikfolien. Kostspielige Reinräume sind nicht erforderlich.

»Für uns war es wichtig, eine Technologieplattform zu entwickeln, die sich leicht hochskalieren lässt, um damit großflächig gedruckte und biegsame Elektronik auf der Grundlage von organischen Halbleitern und Nanomaterialien zu fertigen« sagt Dr. Abdellah. »Aufsprühen bildet hierfür den Kern unserer Prozesstechnologie.«

Noch zu lösende technische Herausforderungen sind hauptsächlich anwendungsspezifischer Art, beispielsweise die Forderung nach Gassensoren, die sowohl selektiv als auch empfindlich arbeiten.