Magnetisches Origami

Die Entwicklung dreidimensionaler Mikroelektronik mit exzellenter Leistungs­fähigkeit stellt Forscher vor enorme Heraus­forderungen. Nach neuen Verfahren wird händeringend gesucht. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel das selbst­organisierte Falten von mikro­elektronischen Nano­membranen, das aber starken statistischen Schwankungen unter­liegt. Darunter leidet die Ausbeute und Zuverlässig­keit mikro­skopischer Origami-Strukturen, die den hohen Ansprüchen der Mikro­elektronik nicht genügen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass sich noch kein industriell einsetz­bares Verfahren etabliert hat, das eine zuverlässige und kosten­günstige Produktion von selbst­organisierten drei­dimensio­nalen Bauelementen ermöglicht.

Wissenschaftler um Oliver Schmidt vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoff­forschung Dresden stellen jetzt eine neue Möglichkeit vor, Nano­membranen zu drei­dimensio­nalen mikro­elektro­nischen Bau­elementen zu falten. „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“, sagt Schmidt.

In dem Verfahren nutzen die Forscher die denkbar einfachste Möglich­keit des Faltens, nämlich das bekannte und seit vielen Jahren etablierte Aufwickeln der Nano­membranen. Zentraler neuer Bestandteil ist die Entwicklung einer Art magnetischer Fern­steuerung, mit der sich der Falt- oder Aufwickel­prozess durch ein von außen angelegtes Magnetfeld program­mieren und gezielt steuern lässt. Zum ersten Mal ist es 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 neunzig Prozent zu erreichen.

Mit dieser neuen Methode von magnetischen Origami-Strukturen haben die Forscher dreidimensionale Mikro-Energie­speicher­elemente herge­stellt, die exzellente Kenn­daten aufweisen und extrem leicht und kompakt sind. Die Ergebnisse zeigen eindrucksvoll das Potenzial der magnet­feld­unter­stützten Faltung von Nano­membranen. Die Vorteile des magnetischen Mikro-Origami kommen ganz besonders zum Tragen, wenn gut ausgerichtete drei­dimensionale Strukturen mit vielen Wicklungen von Nano­membranen erforder­lich sind. Dies ist zum Beispiel bei neuartigen Mikro­batterien oder passiven elektronischen Bauelementen wie Konden­satoren, Induktoren und Transfor­matoren der Fall.

Die etablierte Mikroelektronik beruht auf Komponenten, die in zwei Dimensionen definiert und Schicht für Schicht aufgebaut werden. Für viele mikro­elektro­nische Bauelemente wie Mikro­batterien, Spulen und Transfor­matoren stellt dieses Verfahren aber keine optimale Lösung dar. Vor allem deshalb, weil die Herstellung der Bauteile zu aufwändig ist oder die Leistungs­spezifi­kationen nicht erreicht werden können. Daher wird nach komplett neuen Ansätzen gesucht, die dritte Dimension zu erobern.

Ein solcher Ansatz stellt das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Schicht­systemen dar. Die Schicht­systeme werden zunächst mit etablierten Techniken in zwei Dimensionen definiert und trans­formieren sich anschließend von selbst zu drei­dimensio­nalen Origami-Architekturen. Diese Selbstorganisation wird zum Beispiel durch den gezielten Abbau von Verspannung in den Schicht­systemen ausgelöst. Das heißt, die Strukturen schnappen wie eine aufge­spannte Feder automatisch zusammen, wenn man Sie aus der Verankerung löst.

IFW / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Gabler et al.: Magnetic origami creates high performance micro devices, Nat. Commun. 10, 3013 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-10947-x
• Institut für integrative Nanowissenschaften (O. G. Schmidt), Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden