„Die Herstellung von Metalloxiden, die für die Elektronik nützlich sind, erforderte bisher den Einsatz spezieller Geräte, die langsam und teuer sind und bei hohen Temperaturen arbeiten“, sagt Michael Dickey, Mitverfasser eines Artikels über die Arbeit und Camille and Henry Dreyfus Professor of Chemical and Biomolecular Engineering an der North Carolina State University. „Wir wollten eine Technik entwickeln, um Metalloxid-Dünnschichten bei Raumtemperatur zu erzeugen und abzuscheiden, also im Grunde Metalloxid-Schaltkreise zu drucken.“
Neuartige Methode entwickelt
Metalloxide sind ein wichtiges Material, das in fast jedem elektronischen Gerät zu finden ist. Die meisten Metalloxide sind elektrisch isolierend (wie Glas). Einige Metalloxide sind jedoch sowohl leitfähig als auch transparent, und diese Oxide sind von entscheidender Bedeutung für den Touchscreen Ihres Smartphones oder den Bildschirm Ihres Computers.
„Im Prinzip sollten Metalloxidfilme leicht herzustellen sein“, sagt Dickey. „Schließlich bilden sie sich auf natürliche Weise auf der Oberfläche fast aller Metallgegenstände in unserem Haushalt – Getränkedosen, Edelstahltöpfe und Gabeln. Obwohl diese Oxide überall vorkommen, sind sie nur von begrenztem Nutzen, da sie nicht von den Metallen entfernt werden können, auf denen sie sich bilden.“
Für diese Arbeit entwickelten die Forscher eine neuartige Methode, um Metalloxid von einem Meniskus aus flüssigem Metall zu trennen. Wenn man ein Rohr mit Flüssigkeit füllt, ist ein Meniskus die gekrümmte Oberfläche der Flüssigkeit, die über das Ende des Rohrs hinausragt. Er ist aufgrund der Oberflächenspannung gekrümmt, die verhindert, dass die Flüssigkeit vollständig ausläuft. Bei flüssigen Metallen ist die Oberfläche des Meniskus mit einer dünnen Metalloxidhaut bedeckt, die sich dort bildet, wo das flüssige Metall auf die Luft trifft.
„Wir füllen den Raum zwischen zwei Glasobjektträgern mit flüssigem Metall, so dass ein kleiner Meniskus über die Enden der Objektträger hinausragt“, sagt Dickey. „Stellen Sie sich die Objektträger als Drucker vor, und das flüssige Metall ist die Tinte. Der Meniskus aus flüssigem Metall kann dann mit einer Oberfläche in Kontakt gebracht werden. Der Meniskus ist von allen Seiten mit Oxid überzogen, ähnlich wie das dünne Gummi, das einen Wasserballon umhüllt. Wenn wir den Meniskus über die Oberfläche bewegen, bleibt das Metalloxid auf der Vorder- und Rückseite des Meniskus an der Oberfläche haften und schält sich ab, wie die Spur, die eine Schnecke hinterlässt. Dabei bildet die freiliegende Flüssigkeit auf dem Meniskus ständig neues Oxid und ermöglicht so einen kontinuierlichen Druck.“
Das Ergebnis ist, dass der Drucker einen zweischichtigen dünnen Film aus Metalloxid aufträgt, der etwa 4 nm dick ist. „Obwohl wir eine Flüssigkeit verwenden, ist der auf dem Substrat abgeschiedene Metalloxidfilm fest und unglaublich dünn“, sagt Dickey. „Der Film haftet auf dem Substrat – man kann ihn nicht verschmieren oder verwischen. Das ist wichtig für den Druck von Schaltkreisen.“
Gold hält leitende Eigenschaften stabil
Die Forscher demonstrierten diese Technik mit verschiedenen Flüssigmetallen und Metalllegierungen, wobei jedes Metall die Zusammensetzung des Metalloxidfilms veränderte. Die Forscher waren auch in der Lage, einen Stapel geschichteter Dünnschichten zu erstellen, indem sie mehrere Durchgänge mit dem Drucker machten. „Wir waren überrascht, dass die gedruckten Schichten transparent sind, aber metallische Eigenschaften haben“, sagt Dickey. „Sie sind hoch leitfähig.“
„Da die Filme einen metallischen Charakter haben, verbindet sich das Gold mit dem gedruckten Oxid, was ungewöhnlich ist - normalerweise haftet Gold nicht an Oxiden“, sagt Unyong Jeong, Mitverfasser eines Artikels über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaft und Technik an der Pohang University of Science and Technology (POSTECH). „Wenn man eine kleine Menge Gold in diese dünnen Filme einbringt, wird das Gold im Wesentlichen in den Film eingearbeitet. Dadurch wird verhindert, dass sich die leitenden Eigenschaften des Oxids mit der Zeit verschlechtern.
„Wir glauben, dass diese Filme deshalb so leitfähig sind, weil das Zentrum des zweischichtigen dünnen Films sehr wenig Sauerstoff enthält, er ist metallischer und weniger ein Oxid“, sagt Jeong. „Ohne das Vorhandensein von Gold gelangt mit der Zeit immer mehr Sauerstoff in die Mitte der dünnen Schicht, was dazu führt, dass die Schicht elektrisch isolierend wird. Durch die Zugabe von Gold zu der dünnen Schicht wird verhindert, dass der zentrale Teil der Schicht oxidiert. Die Tatsache, dass dies so gut funktioniert, ist überraschend, weil wir so wenig Gold verwenden – die Oxid-Dünnschicht ist immer noch sehr transparent.
Auch für Hochtemperatur-Einsätze geeignet
Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass die dünnen Schichten ihre leitenden Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen beibehalten. Wenn die dünne Schicht 4 nm dick ist, behält sie ihre leitenden Eigenschaften bis zu fast 600 °C bei. Bei einer Schichtdicke von 12 nm bleibt die Leitfähigkeit bis zu mindestens 800 °C erhalten.
Die Forscher demonstrierten auch den Nutzen ihrer Technik, indem sie Metalloxide auf ein Polymer druckten und so hochflexible Schaltkreise schufen, die selbst nach 40.000-maligem Falten ihre Integrität behielten.
„Die Filme können auch auf andere Oberflächen übertragen werden, zum Beispiel auf Blätter, um Elektronik an unkonventionellen Orten zu erzeugen“, sagt Dickey. „Wir bewahren das geistige Eigentum an dieser Technik und sind offen für die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um mögliche Anwendungen zu erforschen.“
