Purdue University Nanoskalige Metallstrukturen wie eine Zeitung drucken

Forscher der Purdue University haben ein neues Rolle-zu-Rolle-Verfahren entwickelt, um Metallleitungen wie Zeitungen zu drucken. Das macht sie glatter und flexibler für einen besseren Stromfluss.
Forscher der Purdue University haben ein neues Rolle-zu-Rolle-Verfahren entwickelt, um Metallleitungen wie Zeitungen zu drucken. Das macht sie glatter und flexibler für einen besseren Stromfluss.

Rauheit und geringe Auflösung sind die wesentlichen Herausforderungen beim Druck von nanoskaligen Metallstrukturen für ultraschnelle elektronische Schaltungen. Forscher der Purdue University haben dafür ein kostengünstiges Rolle-zu-Rolle-Verfahren entwickelt, das dem Zeitungsdruck ähnelt.

Um metallische Leitungen zu drucken, kommen bislang Verfahren zum Einsatz, bei denen ein dünner Regen aus flüssigem Metall aus einer Schablone in der Form des Schaltkreises spritzt. Dies ähnelt dem Sprühen von Graffiti auf Wände. »Dadurch werden die Oberflächen dieser metallischen Schaltungen leider rau, sodass sich die Schaltkreise schneller erwärmen und damit den Akku schneller entladen«, erklärt Ramses Martinez, Assistenzprofessor für Wirtschaftsingenieurwesen und Biomedizintechnik an der Purdue University.

Doch zukünftige ultraschnelle Bauelemente werden auch viel kleinere Metallkomponenten benötigen. Um diese herzustellen, ist auch eine höhere Auflösung nötig. »Durch die neuesten Fortschritte in der Nanotechnologie müssen wir Metallstrukturen in noch kleineren Dimensionen herstellen können als die Körner, aus denen sie bestehen. Es ist, als würde man eine Sandburg machen wollen, die kleiner ist als ein Sandkorn«, verdeutlicht Martinez die Herausforderung. Die sogenannte Umformbarkeitsgrenze erschwert es, Materialien mit nanoskaliger Auflösung bei hoher Geschwindigkeit zu fertigen.

Mit einem neuen großtechnischen Herstellungsverfahren sind die Forscher an der Purdue University beide Aspekte – Rauheit und geringe Auflösung – angegangen. Dadurch lassen sich glatte metallische Schaltungen im Nanobereich mit herkömmlichen Kohlendioxidlasern herstellen, wie sie heute beim industriellen Schneiden und Beschriften üblich sind. »Winzige Metallteile wie Zeitungen zu drucken macht sie viel glatter. Dadurch kann ein elektrischer Strom besser fließen, und das Risiko zu überhitzen ist geringer«, erklärt Martinez.

Dieses Rolle-zu-Rolle-Verfahren nutzt die so genannte Laser-induzierte Superplastizität und eine Druckwalze. Energiereiche Laserstrahlen machen verschiedene Metalle kurzzeitig »superelastisch«, sodass diese in die nanoskaligen Strukturen der Druckwalze fließen und damit die Umformbarkeitsgrenze umgehen.

»Damit hergestellte Komponenten könnten zukünftig Touchscreens mit Nanostrukturen, die mit Licht interagieren und 3D-Bilder erzeugen können, sowie kostengünstigere Biosensoren ermöglichen«, meint Martinez.

Originalpublikation

Debkalpa Goswami et al., Roll-to-Roll Nanoforming of Metals Using Laser-Induced Superplasticity, Nano Lett., 2018, 18 (6), pp 3616–3622, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00714