Nanostrukturierte Schichten für unzerbrechliche Elektronik

Priv. Doz. Dr. Megan Cordill, Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft Prof. Damien Faurie, Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux LSPM - CNRS UPR3407 Faltbare und rollbare elektronische Displays sowie tragbare Sensoren sind für den Verbraucher nahezu Realität. Das technologische Haupthindernis besteht darin, diese innovativen Geräte unzerbrechlich zu machen. Geräte wie das faltbare Samsung-Smartphone müssen für 100.000 Falt- oder Dehnungszyklen mechanisch und elektrisch belastbar sein. Bisher kann die mikro- und nanoskalige flexible Elektronik den mechanischen Belastungen (Falten oder Strecken) nicht standhalten, da sich Risse bilden, die den Stromfluss stoppen und das Gerät funktionsunfähig machen. Eine mögliche Lösung besteht darin, die in flexiblen Vorrichtungen verwendeten dünnen Materialien richtig zu designen, um elektrisch leitende Materialien zu erzeugen, die nicht brechen. Das Forscherteam aus österreichischen und französischen Partnern wird einzigartige Dünnfilmmaterialien (mit einer Dicke von weniger als 1 m) herstellen, indem zwei oder mehr Metalle zu 1D-, 2D- und 3D-Nanomaterialien oder Nanokompositen strukturiert werden. Durch die Kombination von hochfesten und leitfähigen Metallen mit Mikro- und Nanostrukturen, die mit einem speziellen 3D-Drucker hergestellt werden, werden unzerbrechliche Nanomaterialien entwickelt, die sich ideal für faltbare und dehnbare Elektronik eignen. Das Team wird nicht nur diese neuen Materialien herstellen, sondern auch die verschiedenen nanostrukturierten Systeme durch Strecken (entlang einer und zwei Achsen) und Falten testen. Die verwendeten Prüfmethoden sind nur in den Labors der beiden Partner verfügbar, und die experimentellen Techniken können das mechanische Verhalten direkt mit dem elektrischen Verhalten verbinden, indem sie die Oberflächen in 3D abbilden, den elektrischen Widerstand messen oder sogar die mechanischen Spannungen messen, die sich beim Strecken oder Falten entwickeln. Die Ergebnisse dieses Projekts werden das technologische Hindernis beseitigen und schließlich faltbare, rollbare, dehnbare und tragbare elektronische Geräte verfügbar machen.

Faltbare und aufrollbare elektronische Displays sowie tragbare Sensoren werden immer mehr von Vision zur Realität. Um die Vision zu erreichen muss die Lebensdauer der Mikroelektronischen Komponenten erhöht werden. Geräte wie das faltbare Mobiltelefon von Samsung dürfen auch durch hunderttausend Falt- oder Streckzyklen hinweg nicht ermüdbar sein. Sie müssen sowohl mechanisch als auch elektrisch funktionell bleiben. Bisher hält flexible Elektronik in Mikro- und Nanogröße mechanischen Belastungen im Alltag wie Falten oder Dehnen nicht stand. Es bilden sich durch die Belastungen Risse, welche den elektrischen Stromfluss unterbrechen und dadurch das Gerät unbrauchbar machen. Im Rahmen des NanoFilm-Projekts wurde erforscht, wie dünne Schichten aus verschiedensten Metallen designend werden müssen um "unzerstörbar" zu werden. Die untersuchten Designparameter waren die Schichtdicke, Schichtreihenfolge und Eigenspannungen. Diese Parameter wurden optimiert um neue bruchresistentere Schichten zu schaffen. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften wurde mit Hilfe neuartiger Testverfahren untersucht. Diese ermöglichten es den elektrischen Widerstand und die inneren Spannungen in den Schichten während ein- und zweiachsiger Dehnung oder Biegung zu messen. Dadurch konnten verschiedene Schädigungsmechanismen ausfindig gemacht werden, welche zukünftig vermieden werden können. Das Forschungsteam aus österreichischen und französischen Partnern untersuchte hierbei zwei- und dreischichtige Filme (weniger als 1 m dick) sowie komplexe Legierungen, welche entstehende Risse heilen können. Die Selbstheilungsfähigkeiten werden die Lebensdauer von flexiblen Geräten und Sensoren zukünftig erhöhen. Die Ergebnisse dieses Projekts sind ein großer Schritt um die Version von nachhaltigen, faltbaren, rollbaren, dehnbaren und tragbaren elektronischen Geräten zur Realität werden zu lassen.