Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Nanowände für Smartphones

nächste Meldung

Jeder Touchscreen, wie wir ihn unter anderem von Smartphones und der Bedienoberfläche von Ticketautomaten und Bancomaten kennen, braucht transparente Elektroden: Die Glasoberfläche der Geräte ist mit einem kaum sichtbaren Muster aus einem leitfähigen Material beschichtet. Dank diesem erkennen die Geräte, ob und wo genau ein Finger die Oberfläche berührt.

Mit einer speziellen Variante des sogenannten elektrohydrodynamisches Tintenstrahldrucks können Wissenschaftler ein Gitternetz aus sehr feinen Goldwänden drucken. (Illustration: Ben Newton / Digit Works)

Forschende unter der Leitung von Dimos Poulikakos, Professor für Thermodynamik, haben nun in einem 3D-Druckverfahren eine neue Art von transparenten Elektroden geschaffen. Es handelt sich dabei um ein Gitternetz aus «Nanowänden» aus Gold beziehungsweise Silber auf einer Glasoberfläche.

Die Wände sind so dünn, dass man sie mit blossem Auge kaum sehen kann. Es ist das erste Mal, dass Wissenschaftler solche Nanowände im 3D-Druck hergestellt haben. Die neuen Elektroden sind leitfähiger und transparenter als jene aus Indiumzinnoxid, die heute in Smartphones und Tablets standardmässig verwendet werden.

Dies ist ein klarer Vorteil: Je transparenter die Elektroden sind, desto besser ist die Bildschirmqualität. Und je leitfähiger sie sind, desto schneller und genauer kann der Touchscreen arbeiten.

Dritte Dimension

«Indiumzinnoxid wird verwendet, weil es als Material eine verhältnismässig hohe Transparenz hat und die Herstellung der Schichten gut erforscht ist, doch es ist nur mässig leitfähig», sagt Patrik Rohner, Doktorand in Poulikakos‘ Gruppe. Um leitfähigere Elektroden herzustellen, setzten die ETH-Forscher auf Gold und Silber, die Strom sehr viel besser leiten. Weil diese Metalle jedoch nicht transparent sind, mussten die Wissenschaftler die dritte Dimension zu Hilfe nehmen.

Denn: «Will man mit Drähten aus diesen Metallen gleichzeitig hohe Leitfähigkeit und Transparenz erreichen, besteht ein Zielkonflikt», erklärt ETH-Professor Poulikakos. «Mit zunehmenden Querschnitt von Gold- und Silberdrähten nimmt zwar die Leitfähigkeit zu, die Transparenz des Gitternetzes jedoch ab.»

Die Lösung waren bloss 80 bis 500 Nanometer dünne Metallwände, die von oben betrachtet kaum sichtbar sind. Weil ihre Höhe im Vergleich zur Breite zwei- bis viermal grösser ist, ist ihr Querschnitt und dadurch ihre Leitfähigkeit ausreichend hoch.

Tintenstrahldrucker mit winzigem Druckkopf

Die Forscher stellten diese winzigen Metallwände mit einem Druckverfahren her – Nanodrip genannt –, das Poulikakos und seine Mitarbeiter vor drei Jahren entwickelt haben (siehe ETH Life-Artikel vom 31.05.2013, http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/130531_Scrona_aj). Dessen Grundprinzip ist der sogenannte elektrohydrodynamische Tintenstrahldruck. Dabei verwenden die Wissenschaftler Tinten aus Metallnanopartikeln in Lösungsmittel; ein elektrisches Feld zieht kleinste Tröpfchen der Metalltinte aus einer Glaskapillare. Das Lösungsmittels verdunstet schnell, und so kann Tropfen für Tropfen eine dreidimensionale Struktur aufgebaut werden.

Das Spezielle am Nanodrip-Verfahren ist, dass sich dabei Tröpfchen von der Glaskapillare ablösen, die etwa zehnmal kleiner sind als die Öffnung selbst. Damit lassen sich sehr viel kleinere Strukturen drucken. «Stellen Sie sich einen Wassertropfen vor, der unten an einem geschlossenen Wasserhahn hängt. Und stellen Sie sich nun vor, dass unten an diesem Tropfen noch ein winziges Tröpfchen hängt – nur diese winzigen Tröpfchen drucken wir», erklärt Poulikakos. Die spezielle Tropfenform erzielten die Forscher, indem sie die Zusammensetzung der Metalltinte und das verwendete elektromagnetische Feld optimal aufeinander abstimmten.

Kostengünstige Herstellung

Die nächste grosse Herausforderung werde nun sein, die Methode hochzuskalieren und den Druckprozess so weiterzuentwickeln, dass er industriell im grossen Massstab angewendet werden kann. Die Wissenschaftler arbeiten dazu mit Kollegen des ETH-Spin-offs Scrona zusammen.

Sie sind überzeugt: Gelingt das Hochskalieren, wird die Technologie gegenüber den existierenden Methoden eine Reihe von Vorteilen bringen. Insbesondere wird sie wohl kostengünstiger sein, weil für das Nanodrip-Verfahren im Gegensatz zur Herstellung von Indiumzinnoxid-Elektroden kein Reinraum nötig ist. Auch dürften die neuen Elektroden wegen ihrer höheren Leitfähigkeit besser geeignet sein für grosse Touchscreens. Und schliesslich sei ihr Verfahren auch das erste, bei dem man die Höhe der Nanowände direkt während des Druckens variieren könne, sagt ETH-Doktorand Rohner.
Eine mögliche zukünftige Anwendung könnten auch Solarzellen sein, für die ebenfalls transparente Elektroden benötigt werden. Je durchsichtiger diese sind, desto mehr Strom lässt sich gewinnen. Und die Elektroden könnten schliesslich auch bei der Weiterentwicklung von gebogenen Bildschirmen mit der OLED-Technologie zum Einsatz kommen.

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/01/nanowaende...

Fabio Bergamin | ETH Zürich

nächste Meldung

Im Focus: Cheers! Maxwell's electromagnetism extended to smaller scales

More than one hundred and fifty years have passed since the publication of James Clerk Maxwell's "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). What would our lives be without this publication?

It is difficult to imagine, as this treatise revolutionized our fundamental understanding of electric fields, magnetic fields, and light. The twenty original...

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...