Nanoröhrchen – verschweißt mit Ultraschall

So herausragend die elektrische Leitfähigkeit von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff ist, müssen sie in Akkus, Sensoren oder Schaltkreisen miteinander und mit metallischen Elektroden verknüpft werden. In aufwendig gefertigten Prototypen können die Kontakte noch mit metallischen Klemmen oder Epoxid-Klebern aufgebaut werden. Für eine Massenproduktion eignen sich diese Methoden weniger. Daher griff nun eine US-amerikanische Forschergruppe zum Ultraschallweißen und erzielte viel versprechende Resultate.

Für Kunststoffe und Metalle wird Ultraschallschweißen schon länger gerne angewendet. Über eine hochfrequente mechanische Schwingung werden hohe Reibungskräfte zwischen den zu verknüpfenden Kontakte aufgebaut. Dabei werden die Kontakte bis knapp unterhalb des Schmelzpunkts erhitzt. Das reicht aus, um sie miteinander zu verzahnen und stabile Fügeverbindungen herzustellen.

Brian Landi und seine Kollegen vom Rochester Institute of Technology testeten diese Ultraschallmethode nun an dünnen Litzen aus Kupfer und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Auf einer kleinen Fläche von einem Viertel Quadratzentimeter Größe pressten sie die zwanzig Mikrometer dünnen Litzen mit einem Druck von etwa fünf bar aneinander. Über die filigran strukturierten Pressflächen versetzten sie die Litzen zudem mit einer hohen Frequenz von vierzig Kilohertz in mechanische Schwingung. In weniger als einer Sekunde wurden dabei die Kontaktflächen aufgeheizt und es entstanden stabile Fügeverbindungen.

Darauf überprüften Landi und Kollegen die Festigkeit ihrer Ultraschallschweißverbindungen. So zerbrachen Kontakte zwischen Kupfer und Nanoröhrchen erst ab einer Belastung von über 350 Kilopascal. Kontakte zwischen zwei Nanoröhrchen-Litzen zeigten sich etwas weniger stabil und zerbrachen ab einer Belastung von etwa 200 Kilopascal. Beeindruckt waren die Forscher zudem von den guten elektrischen Eigenschaften dieser Fügeverbindungen. Dank einer chemischen Vorbehandlung der Nanoröhrchen mit Kaliumtetrabromoaurat (KAuBr₄) rangierte der elektrische Widerstand bei geringen 4 – 5 Milliohm pro Quadratzentimeter.

Diese Experimente zeigen, dass Ultraschallschweißen sehr gut für die Kontaktierung von Elektroden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen geeignet ist. Stabilität und gute elektrischen Leitfähigkeit reichen für die meisten Anwendungen aus. Vorteilhaft ist gegenüber anderen Fügetechniken sowohl der schonende Umgang mit den Materialien als auch die Schnelligkeit des Fügevorgangs. So könnten schon bald dank Ultraschallschweißens feinste und damit platzsparende Kontakte zu Nanoröhrchen-Elektroden etwa in Akkus oder elektronischen Schaltkreisen hergestellt werden.

Jan Oliver Löfken

CT