Forschende entwickeln schnellere und billigere Methode zum Drucken winziger Metallstrukturen

Forschende am Georgia Institute of Technology haben ein lichtbasiertes Verfahren zum Drucken von Metallstrukturen in Nanogröße entwickelt, das wesentlich schneller und billiger ist als alle derzeit verfügbaren Technologien.

Die Technologie beruht auf dem 3D-Druck von metallischen Strukturen im Nanomaßstab, einer Schlüsselkomponente für viele technologische Fortschritte, etwa in der Elektronik, Solarenergieumwandlung und Sensorik.

Sourabh Saha, Assistenzprofessor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, und Jungho Choi, ein Doktorand in Sahas Labor, entwickelten eine Technik, die 480-mal schneller und 35-mal günstiger ist als herkömmliche Methoden. Ihre Forschungsergebnisse wurden im Journal „Advanced Materials“ veröffentlicht.

Für gewöhnlich wird angenommen, dass für den Nanodruck hochintensive Lichtquellen erforderlich sind. Femtosekundenlaser, die solches Licht erzeugen, können jedoch bis zu einer halben Million Dollar kosten und sind somit für die meisten Forschungslabore und Kleinunternehmen unerschwinglich.

“Als wissenschaftliche Gemeinschaft sind wir nicht in der Lage, diese Nanomaterialien schnell und kostengünstig in ausreichender Menge herzustellen. Deshalb bleiben vielversprechende Technologien oft auf das Labor beschränkt und werden nicht in reale Anwendungen umgesetzt”, so Saha. “Die Frage, die wir beantworten wollten, lautete: ‘Brauchen wir wirklich einen hochintensiven Femtosekundenlaser, um im Nanobereich zu drucken?’ Unsere Hypothese war, dass wir diese Lichtquelle nicht brauchen, um die Art von Druck zu erzielen, die wir wollen.”

Saha und Choi suchten nach einer kostengünstigen, schwachintensiven Lichtquelle, die ähnlich wie Femtosekundenlaser fokussiert werden kann, und wählten superlumineszente Leuchtdioden (SLEDs), die kommerziell erhältlich sind. SLEDs emittieren Licht, das eine Milliarde Mal weniger intensiv ist als das von Femtosekundenlasern.

Sie entwickelten eine originale Projektionsdrucktechnologie, die digitale Bilder in optische Bilder umwandelt und auf einer Glasoberfläche anzeigt. Das System funktioniert ähnlich wie digitale Projektoren, erzeugt jedoch schärfer fokussierte Bilder. Die einzigartigen Eigenschaften des superlumineszenten Lichts ermöglichten die Erzeugung von Bildern mit minimalen Fehlern.

Die Forschenden entwickelten zudem eine klare Tintenlösung aus Metallsalz und fügten Chemikalien hinzu, damit die Flüssigkeit Licht absorbieren kann. Wenn Licht aus ihrem Projektionssystem auf die Lösung trifft, führt dies zu einer chemischen Reaktion, die das Salz in Metall umwandelt. Die Metallpartikel haften an der Glasoberfläche, und ihre Agglomeration bildet die Nanostrukturen. Da es sich um einen Projektionstyp des Druckens handelt, kann eine gesamte Struktur auf einmal und nicht Punkt für Punkt gedruckt werden, was den Prozess erheblich beschleunigt.

Nach Tests stellten sie fest, dass der Projektionsstil des Nanodrucks auch mit schwachintensivem Licht möglich ist, sofern die Bilder scharf fokussiert sind. Saha und Choi glauben, dass Forschende ihre Arbeit mit kommerziell verfügbaren Geräten leicht nachvollziehen können. Im Gegensatz zu einem teuren Femtosekundenlaser kostet die von Saha und Choi verwendete SLED-Art in ihrem Drucker etwa 3.000 Dollar.

“Gegenwärtig haben nur Spitzenuniversitäten Zugang zu diesen teuren Technologien, und selbst dann befinden sie sich in gemeinsam genutzten Einrichtungen und sind nicht immer verfügbar”, so Choi. “Wir wollen die Möglichkeiten des 3D-Drucks im Nanomaßstab demokratisieren und hoffen, dass unsere Forschung die Tür für einen breiteren Zugang zu dieser Art von Verfahren zu geringen Kosten öffnet.”

Diese Technik wird besonders nützlich für Personen sein, die in den Bereichen Elektronik, Optik und Plasmonik arbeiten, in denen vielfältige komplexe metallische Nanostrukturen erforderlich sind.

“Ich glaube, dass die Kriterien Kosten und Geschwindigkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, die sich mit der Herstellung winziger Strukturen beschäftigt, stark unterbewertet wurden”, so Saha. “In der realen Welt sind diese Kriterien wichtig, wenn es darum geht, Entdeckungen aus dem Labor in die Industrie zu übertragen. Nur wenn wir über Fertigungstechniken verfügen, die diese Kriterien berücksichtigen, können wir die Nanotechnologie in vollem Umfang zum Nutzen der Gesellschaft einsetzen”.