MIT-Nano. Erforschung einer Multiskalen-Integrations-Technik für eindimensionale Nanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Ensinger; Professor Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak (†); Professor Dr. Jörg J. Schneider
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266929572

Eindimensionale Nanostrukturen, die im Gegensatz zu nulldimensionalen Nanoobjekten, wie sie z. B. Nanopartikel darstellen, in strukturell hoch organisierten Einheiten hergestellt werden können, eröffnen die Möglichkeit diese als aktive Bauelemente in Mikrosysteme wie z. B. Sensoren, Aktoren und Energiespeicher-Systemen zu integrieren. Dies erschließt ein vielversprechendes interdisziplinäres Forschungsfeld an der Schnittstelle Ingenieur-/Naturwissenschaften mit hoher Anwendungsrelevanz. In diesem Kooperationsprojekt möchten wir als eine interdisziplinäre Forschungsallianz aus Ingenieur-, Material- und Naturwissenschaften generell einsetzbare Strukturierungs- und Integrationsverfahren für geordnete eindimensionale Nanostrukturen in Form von Metallnanodrähten (MND) und Kohlenstoffnanoröhren (CNT) entwickeln. Zentraler Gegenstand unserer Forschungsarbeiten sind 3D-Nanostruktureinheiten, die charakteristischerweise aus einer Vielzahl senkrecht auf einem Substrat angeordneter CNT bzw. MND bestehen. Es wird ein hohes Aspektverhältnis (> 1000) dieser Nanostrukturen angestrebt, um sie sowohl lateral als auch horizontal in funktionelle Mikrobauteilstrukturen hierarchisch integrieren zu können. Deren Länge und laterale Begrenzung soll im Mikrometerbereich liegen. Für die Integration solch dreidimensionaler Blockstrukturen aus Metallnanodrähten und Kohlenstoffnanoröhren ist es eine Herausforderung, neuartige Integrations- und Mikro-strukturierungsmethoden zu erarbeiten. Dies erfordert das Verständnis, die Erforschung und die nachfolgende Etablierung material- und mikrotechnologischer Kenntnisse auf unterschiedlichen Hierachieebenen (nm über µm bis hin zu mm/cm Abmessungen). Hierzu sollen eindimensionale Nanostrukturen (MND und CNT) synthetisiert und funktionalisiert bzw. oberflächenmodifiziert werden sowie die Mikrostrukturierungs-Methodiken für deren Systemintegration erarbeitet werden. Für die Etablierung einer solchen Multiskalen-Integrations-Technik (MIT) haben wir als Modellsystem einen Mikroenergiespeicher auf Li-Ionenbasis ausgewählt. Über die Integration der eindimensionalen Nanostrukturen hinaus bestehen besondere wissenschaftliche Herausforderungen in der Abscheidung elektroaktiver Lithium-Ionen-Speichermaterialien auf den nanostrukturierten Elektrodenstrukturen, sowie in der Aufbau- und Verbindungstechnik hinsichtlich Kontaktierung der Elektrodenstrukturen und abschließenden Kapselung des Bauteils. Da die Kathoden- und Anoden-Strukturen auf MND- und CNT-Basis lediglich Bauhöhen im Mikrometerbereich aufweisen, wird der Mikro-Energiespeicher über eine finale Bauhöhe von nur ca. 1 mm verfügen. Er soll bis zum Ende der Förderperiode als Demonstrator-Bauteil aus den gemeinsamen Forschungsarbeiten entstehen. Die in diesem Projekt erarbeiten Erkenntnisse zur Multiskalen-Integrations-Technik (MIT) werden genereller Natur sein und über die hier exemplarisch gezeigte Anwendung hinaus z. B. auch für miniaturisierte Sensorbauelemente Anwendung finden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen