Funktionale Polymer- und Nanokomposit-3D-Architekturen mittels Multi-PhotonenLaserstrukturierung für hochentwickelte Anwendungen in Mikrobauelementen

• Antragstellerin: Dr. Ievgeniia Topolniak
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457594480

Die Entwicklung neuer funktionaler Komponenten und deren praktikable und präzise Miniaturisierung und Integration in Mikrobauelementen ist unabdingbar für zukünftigen technologischen Fortschritt. Das zentrale Ziel des hier vorgestellten Projekts ist die Entwicklung und Untersuchung neuartiger und funktionaler 3D Mikrostrukturen auf Basis von Hybridpolymeren (HP) und Polymernanokompositen (PNKs). Dabei kommen neuartige HP Photoresists zur Anwendung, die in Zusammenarbeit mit IESL-FORTH (Griechenland) entwickelt werden. Mittels hochsensitiver Mess- und Charakterisierungsverfahren werden die Eigenschaften der hergestellten Architekturen untersucht um die geeignetsten Strukturen zu identifizieren. Die so ausgewählten Zusammensetzungen werden als Anwendungsbeispiel in olfaktorischen MembrantypOberflächenspannungssensoren (MSS) integriert und getestet. MultiPhotonen-Laserstrukturierung (MPLS) als Herstellungsmethode verbindet hierbei uneingeschränkten Freiraum in der 3D Formgebung mit sehr hoher Strukturauflösung. MPLS erlaubt exzellente Kontrolle des Fabrikationsprozesses und damit die präzise Positionierung von Polymerelementen selbst auf komplexen Sensoroberflächen. Die Verbindung von Hochleistungs- organisch-anorganischen Kompositen mit den Vorzügen der MPLS ermöglicht mikroelektronische Lösungen und Bauelemente, insbesondere für MSS, die mit anderen Verfahren nicht zugänglich sind.Dieses Projekt besteht aus zwei ineinander verwobenen Hauptteilen, um die geeignetste Materialauswahl sowie eine abgestimmte Untersuchungsstrategie zu gewährleisten. Einerseits werden die Eigenschaften von MPLS-gefertigten HP- und PNC-Strukturen untersucht, um das durch Materialchemie und Fertigungsparameter entstehende komplexe Spektrum von Effekten zu bewerten. Dabei werden morphologie, thermische und mechanische Eigenschaften sowie anisotrope Effekte mit speziell entwickelten Hochpräzisionsmethoden wie IntermodulationsRasterkraftmikroskopie (AFM), Elektronenrastermikroskopie, ChipKalorimetrie, Röntgenkleinwinkelstreuung, Nano-Infrarot-AFM, konfokaler Raman Mikroskopie und Photorheologie charakterisiert. Andererseits wird die Eignung dieser Materialien in olfaktorischen MSS untersucht und mit den gewonnenen Erkenntnissen der Materialeigenschaften korreliert. Die HP- und PNC-Architekturen werden in MSS integriert und die Sensoren werden auf ihre Reproduzierbarkeit, Empfindlichkeit und Selektivität getestet. Die enge Kollaboration zwischen der BAM in Berlin und den Pionieren von MSS, der Olfactory Sensors Group am NIMS-Institut in Japan ermöglicht dabei die Entwicklung einzigartiger Testverfahren. Zusammenfassend werden die gewonnenen Einblicke in die physikalischen und chemischen Mechanismen des Fabrikationsprozesses sowie die daraus resultierenden Zusammenhänge zwischen Struktur, Material, und Sensoreigenschaften nicht nur neuartige, funktionale MPLS Materialien und Architekturen hervorbringen, sondern auch effizientere Strategien in der Materialforschung aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen