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Kohlenstoff-Nanoröhrchen als flexible, kostengünstige Sensoren

26.09.2013
Forscher der TUM weisen den Weg zur kostengünstigen Massenproduktion neuartiger elektronischer Bauelemente.

Paradebeispiel ist ein Gassensor, der in das Verpackungsmaterial von Lebensmitteln integriert werden könnte, um die Frische der Ware zu messen. Er könnte auch in kompakte, drahtlose Sensoren für die Luftqualität integriert werden.


Flexible Hochleistungsgassensoren (links) wurden durch das Aufsprühen einer Lösung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (rechts) auf ein Plastiksubstrat hergestellt. U. Benz/TUM


Die Forscher demonstrierten die kostengünstige Produktion von Sensoren auf der Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem kleinen Sprühroboter. Das Verfahren kann einfach auf die Produktion in industriellem Maßstab skaliert werden. U. Benz/TUM

An neuen Arten von Solarzellen und biegsamen Transistoren wird ebenfalls gearbeitet, wie auch an Druck- und Temperatursensoren, die Eingang in elektronische Roboterhaut oder in Bionikanwendungen finden könnten. All das lässt sich mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen realisieren, die man wie Tinte auf biegsame Plastikfolie oder andere Substrate sprüht.

Die an der Technischen Universität München entwickelten Gassensoren auf Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen übertreffen andere Technologien mit ihrer einzigartigen Kombination von Merkmalen. Sie registrieren sofort und reagieren kontinuierlich auf kleinste Veränderungen der Konzentration von Gasen wie Ammoniak, Kohlendioxid und Stickstoffoxid. Sie arbeiten bei Raumtemperatur und verbrauchen kaum Energie. Wie die TUM-Forscher in ihrer jüngsten Veröffentlichung berichten, lassen sich solche Bauelemente mit großflächigen und kostengünstigen Verfahren auf flexible Substrate sprühen.

Es ist zum Beispiel leicht vorstellbar, Lebensmittel in Kunststofffolien zu verpacken, die mit solchen flexiblen Einweg-Gassensoren beschichtet sind. Die hiermit gemessenen Gaskonzentrationen wären ein viel genauerer Indikator für den aktuellen Frische-Zustand eines Lebensmittels als ein routinemäßig aufgedrucktes Haltbarkeitsdatum.

Mit der Messung von Kohlendioxid zum Beispiel lässt sich die voraussichtliche Haltbarkeit von Fleisch bestimmen. Wenn die Verbraucher diese „intelligente Verpackung“ annehmen und die toxische Unbedenklichkeit der Bauelemente nachgewiesen ist, könnte die Technik die Nahrungssicherheit erhöhen. Auch die Menge der weggeworfenen Lebensmittel könnte sich drastisch reduzieren. In einem anderen Anwendungsgebiet könnte diese Art von Gassensoren die Echtzeit-Überwachung der Luftqualität von Innenräumen kostengünstiger und praktischer machen.

Nicht so leicht, aber „ganz einfach”

Der Wissenschaftler Dr.-Ing. Alaa Abdellah und seine Kollegen haben am TUM-Institut für Nanoelektronik gezeigt, dass Hochleistungsgassensoren tatsächlich auf flexible Plastiksubstrate gesprüht werden können. Damit könnten sie das Tor zur kommerziellen Nutzung von Sensoren auf Grundlage von Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie deren Anwendungen aufgestoßen haben. „Es ist eigentlich ganz einfach, wenn man weiß, wie es geht,“ merkt Institutsleiter Professor Paolo Lugli an.

Wichtigster Baustein dieser Technologie ist ein einziges zylinderförmiges Molekül, bestehend aus einer aufgerollten Schicht wabenartig miteinander verbundener Kohlenstoffatome. Dieses sogenannte Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist so etwas wie ein unvorstellbar langer Gartenschlauch. Diese Hohlkörper haben einen Durchmesser von nur etwa einem Nanometer, können aber viele Millionen Male länger als dick sein.

Einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen weisen erstaunliche und nützliche Eigenschaften auf. Im vorliegenden Fall allerdings interessiert die Forscher vor allem, was man mit großen Massen an Kohlenstoff-Nanoröhrchen anstellen kann.

In einem dünnen Film ausgebreitete und beliebig ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen bilden leitfähige Netze, die als Elektroden dienen können. Strukturierte und geschichtete Filme können als Sensoren oder Transistoren verwendet werden. „Der elektrische Widerstand dieser Filme kann tatsächlich mit einer externen Spannung oder durch die Adsorption von Gasmolekülen moduliert werden“, erklärt Prof. Lugli.

Insbesondere als Basismaterial für Gassensoren vereinen Kohlenstoff-Nanoröhrchen die Vorteile (und vermeiden die Nachteile) von herkömmlichen Materialien, zum Beispiel von leitenden Polymeren oder festen Metalloxid-Halbleitern. Bisher fehlte jedoch ein zuverlässiges, reproduzierbares und kostengünstiges Produktionsverfahren.

Diese Lücke wird jetzt durch Aufsprühen und – falls erforderlich – durch ergänzenden Transferdruck geschlossen. Eine wässrige Lösung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen sieht wie eine Flasche schwarzer Tinte aus und kann auf ähnliche Weise gehandhabt werden. So können Bauelemente durch eine computergesteuerte Roboterdüse praktisch auf jede Art von Substrat gesprüht werden, auch auf großflächige Plastikfolien. Kostspielige Reinräume sind nicht erforderlich.

„Für uns war es wichtig, eine Technologieplattform zu entwickeln, die sich leicht hochskalieren lässt, um damit großflächig gedruckte und biegsame Elektronik auf der Grundlage von organischen Halbleitern und Nanomaterialien zu fertigen,“ sagt Dr. Abdellah. „Aufsprühen bildet hierfür den Kern unserer Prozesstechnologie“.

Noch zu lösende technische Herausforderungen sind hauptsächlich anwendungsspezifischer Art, beispielsweise die Forderung nach Gassensoren, die sowohl selektiv als auch empfindlich arbeiten.

Dieses Forschungsprojekt wurde teilweise von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über das Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) und vom Staat Bayern im Rahmen des Föderinitiative SolTech – Solar Technologies go Hybrid – unterstützt.

Publikationen:

Fabrication of carbon nanotube thin films on flexible substrates by spray deposition and transfer printing. Ahmed Abdelhalim, Alaa Abdellah, Giuseppe Scarpa, Paolo Lugli. Carbon, Vol. 61, September 2013, 72-79. DOI: 10.1016/j.carbon.2013.04.069

Flexible carbon nanotube-based gas sensors fabricated by large-scale spray deposition.

Alaa Abdellah, Zubair Ahmad, Philipp Köhler, Florin Loghin, Alexander Weise, Giuseppe Scarpa, Paolo Lugli. IEEE Sensors Journal, Vol. 13 Issue 10, October 2013, 4014-4021. DOI: 10.1109/JSEN.2013.2265775

Scalable spray deposition process for high performance carbon nanotube gas sensors. Alaa Abdellah, Ahmed Abdelhalim, Markus Horn, Giuseppe Scarpa, and Paolo Lugli. IEEE Transactions on Nanotechnology 12, 174-181, 2013. DOI: 10.1109/TNANO.2013.2238248

Kontakt:

Dr. Alaa Abdellah
Technische Universität München
Institute for Nanoelectronics
T: +49 89 289 25335
E: abdellah@nano.ei.tum.de
W: http://www.nano.ei.tum.de/
Prof. Paolo Lugli
Technische Universität München
Institute for Nanoelectronics
T: +49 89 289 25332
E: paolo.lugli@nano.ei.tum.de
W: http://www.nano.ei.tum.de/

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/31050

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