Wektstoffe für die Elektronik Neue Materialien verbessern die Zuverlässigkeit von Bauelementen

In der Medizintechnik werden winzige Drähte verwendet, um Sonden in den Körper einzuführen. Diese müssen biegsam sein, dürfen aber nicht brechen. Auch die Mikroelektronik benötigt kleinste Bauteile, die leitfähig und extrem fest sind. Der Saarbrücker Materialforscher Christian Motz simuliert diese Materialien in Nanodimensionen am Computer und entwickelt mithilfe von Experimenten neuartige Werkstoffe.

Für die bundesweit beste Forschungsarbeit eines jungen Wissenschaftlers erhielt der Forscher jetzt den Masing-Gedächtnispreis der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde.
Christian Motz ist seit kurzem Professor für Experimentelle Methodik der Werkstoffwissenschaft an der Universität des Saarlandes. Er hat sich auf die Mikromechanik spezialisiert und untersucht die Strukturen und Zusammensetzungen der kleinsten Bausteine von Werkstoffen.

»Gerade diese kleinen Bausteine, die oft nur den Umfang von einem Tausendstel des menschlichen Haares aufweisen, dominieren die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen«, sagt Motz. Normalerweise wird ein Werkstoff umso fester, je kleiner die Komponenten im Inneren der Materialien werden.

»Vieles hängt aber auch von den Kristallstrukturen ab, die innerhalb eines Werkstoffes große Unterschiede aufweisen können. Stahl setzt sich zum Beispiel aus Eisen, Kohlenstoff und einer Vielzahl von Zusätzen zusammen, die komplexe innere Strukturen bedingen. Diese verleihen dem späteren Werkstoff ganz verschiedene Eigenschaften«, erklärt der Materialforscher. Daher wird Stahl sowohl als stabiles Gerüst für Brücken und Wolkenkratzer verwendet als auch im Karosseriebau. Stahldrähte hingegen sind biegsam und extrem reißfest und werden etwa als hauchdünne Drähte in der Medizintechnik eingesetzt. Hierbei kommt es nicht nur auf die statischen Eigenschaften der Materialien an, sondern auch auf ihre Haltbarkeit. Wir versuchen über Simulationen herauszufinden, an welchen Stellen die Werkstoffe ermüden und verschleißen könnten, um damit frühzeitig möglichen Schäden vorzubeugen. Der Wissenschaftler sucht dafür nach Fehlern im regelmäßigen Aufbau der Kristallstrukturen.

Auch in der Mikroelektronik werden immer kleinere Bauteile eingesetzt, die hohen Anforderungen genügen müssen. »Für elektronische Leiterbahnen werden etwa hitzebeständige und leitfähige Werkstoffe benötigt, die nur wenige Tausendstel Millimeter groß sind«, erläutert Motz. Diese entwickelt der Saarbrücker Materialforscher mithilfe verschiedener Experimente und analysiert sie im Elektronenmikroskop.

Am Computer werden dann neue Zusammensetzungen getestet. In Zusammenarbeit mit Infineon im österreichischen Villach versucht Christian Motz derzeit, die Zuverlässigkeit von kleinen metallischen Leiterbahnen in Elektronik-Bauteilen zu verbessern. »Damit soll auch der Wirkungsgrad dieser Komponenten erhöht werden, um zum Beispiel in der Haushaltselektronik Energie zu sparen und die Elektromobilität effizienter zu machen«, sagt der Professor. Ein weiteres Forschungsthema von Christian Motz sind zelluläre Materialien. »Sie sind für die Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie interessant, denn dort geht es darum, möglichst leichte Materialien zu verwenden, die zugleich stabil und belastbar sind«, erklärt der Saarbrücker Materialforscher.