Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten