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Fig. 1: Ultraleichte Elektronik auf Frischhaltefolie [2]
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2014 - Christian Siket
3D oxide architecture for flexible electronics
Forschungsaufenthalt an der School of Engineering, University of Tokyo, Japan Okt 2014 - April 2015
Christian Siket
Contact: vorname.nachname(/\t)jku.at
Elektronik verändert sich von schweren, starren Geräten hin zu flexiblen mobilen Anwendungen, die unser tägliches Leben bestimmen. In weiterer Folge werden elektronische Geräte nicht mehr starr sein, sondern mechanisch biegbar oder sogar dehnbar. Es wurde schon gezeigt, dass sich solche Elektronik etwa auf Frischhaltefolie aufbringen lässt, sodass man sie noch stärker und unscheinbarer in unsere Alltagswelt einbinden kann [1,2]. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Materialien mit einer großen Vielfalt an elektrischen und mechanischen Eigenschaften benötigt. Oxide stellen hierfür interessante Kandidaten dar. In meiner Dissertation zum Thema „3-D oxide architecture for flexible electronics“ habe ich es mir deshalb zur Aufgabe gesetzt, solche Oxid-Materialien zu finden, zu charakterisieren und in elektronische Bauelemente einzubinden.
Im Zuge meiner Bachelorarbeit konnte ich mich bereits eingehend dem Studium dehnbarer Batterien widmen, um flexible und dehnbare Geräte mit Energie zu versorgen [3,4]. Seit meiner Masterarbeit beschäftige ich mich, im Rahmen einer interdisziplinären Kooperation mit dem Institut für Chemische Technologie anorganisches Stoffe der JKU mit der Untersuchung sehr dünner, elektrisch isolierender Oxidschichten, für welche ich eine neue Strukturierungs- und Fabrikationsmethode entwickelt habe [5]. Ein nächster Schritt ist, diese vielseitigen Oxide mit unterschiedlichen Eigenschaften in Schaltungen und Devices zu integrieren und so neue Wege für die Oxidelektronik zu eröffnen.
Meine Kollegen Dr. Martin Kaltenbrunner ist es im Zuge seines dortigen Aufenthalts gelungen ultraleichte, kaum wahrnehmbare elektronische Bauelemente und Schaltungen herzustellen [2]. In Abbildung 1 ist eine ultradünne Folie mit einem großflächigen Sensorarray abgebildet, die leichter als eine Feder ist. Man kann sie ebenfalls zusammenknüllen, ohne dass ihre Funktion beeinträchtigt wird.
Von Oktober 2014 bis April 2015 konnte ich die Forschung an großflächigen organischen Schaltungen an der Tokyo Universität weiter vorantreiben.
Es gelang mir, mein Fertigungsverfahren für dünne Oxidschichten – die Anodisation – auf mehrere Arten mit den Forschungsgebieten des dortigen Institutes zu vereinigen. So war es etwa möglich, elektronische Kapazitäten aus Aluminiumoxid mit den in Tokyo gefertigten, aktiven Schaltkreisen zu integrieren, um auf diese Weise komplette flexible, auf Plastik prozessierte Geräte zu realisieren. Uns glückte die Fertigung von Verstärkern mit einer stabilen Verstärkung in einem breiten Frequenzbereich von 1 Hz bis 100.000 kHz, die im nächsten Schritt zur Detektierung biologischer Signale am Menschen eingesetzt werden können.
Zugleich war es mir möglich, zwei neue Forschungsbereiche der Anodisation zu beginnen.
Erstmals am Institut in Tokyo, gelang die Herstellung von auf anodisiertem Oxid basierenden Widerstands-Speichern, sogenannten Memristoren, auf flexiblen Substraten, die in der Fachwelt vielfach als zukünftige Revolution in der digitalen Datenspeichertechnik angesehen werden [6]. Hierbei konnte bereits ein hohes On/Off-Verhältnis des Widerstandes von über 1.000 erzielt werden, was durchaus vergleichbar ist, mit den Resultaten von bereits veröffentlichten Arbeiten, welche auf starren Substraten gefertigt wurden. Zudem wurde in ersten Messungen eine Langzeitstabilität der Memristoren über 30 Speicher- und Lesezyklen nachgewiesen. Weiterführende Arbeit zielt nun auf eine systematische Charakterisierung und verbesserte Langzeitstabilität der Speicherelemente ab.
Die Herstellung von ultradünnen, halbleitenden Tantaloxid-Sichten wurde ebenfalls erfolgreich in Angriff genommen [7]. Diese fanden schließlich Verwendung in elektronischen Schaltungsbauelementen wie Schottky-Dioden und Heteroübergangs-Dioden. In diesem Fall konnten On/Off-Verhältnisse von sogar bis zu 100.000 erreicht werden, sowie eine Spannungsfestigkeit bis 4 V, was einen problemlosen Einsatz in Schaltungen mit niedriger Versorgungspannung verspricht. In weiterer Folge sollen diese Bauteile in elektronische Schaltkreise auf Plastiksubstraten integriert werden, um deren Funktionsumfang zu erhöhen.
Zusammenfassung:
In meinem 6-monatigen Aufenthalt an der University of Tokyo gelang es mir, meine Methoden zur Oxidherstellung erfolgreich mit den dort bestehenden Fertigungsprozessen zu kombinieren und auf diese Weise großflächige flexible elektronische Schaltungen, unter Einsatz von anodisierten Oxidmaterialien, zu realisieren. Zugleich konnte ich, unter der Leitung und durch die Expertise von Prof. Takao Someya und seiner Gruppe, mein Wissen und meine Erfahrung auf dem Forschungsgebiet der flexiblen, großflächigen Elektronik wesentlich erweitern. Es gelang, neue Anwendungsgebiete für anodisierte Oxide, zur Fabrikation von Memristoren und Dioden, in Prof. Someyas Gruppe zu erschließen. Hierdurch konnte die langjährige Kooperation zwischen der Abteilung für Physik der weichen Materie an der JKU und Prof. Takao Someya von der School of Engineering, University of Tokyo, Japan, erfolgreich weiter geführt und vertieft werden. Die Forschungsthemen werden unter Beibehalt der Kooperation in Linz weiter entwickelt und zur Publikation in qualitativ hochwertigen Journalen vorbereitet, so wie dies bereits zuvor im Rahmen dieser Zusammenarbeit geschehen ist [1,2].
Dieser Forschungsaufenthalt wurde großzügig von der Mackestiftung, der JKU und dem Land Oberösterreich gefördert, wofür ich mich vielmals Bedanken möchte.
[1] M. Kaltenbrunner, M. S. White, E. D. Głowacki, T. Sekitani, T. Someya, N. S. Sariciftci, and S. Bauer, „Ultrathin and lightweight organic solar cells with high flexibility“, Nature communications, 3, 770 (2012)
[2] M. Kaltenbrunner, T. Sekitani, J. Reeder, T. Yokota, K. Kuribara, T. Tokuhara, M. Drack, R. Schwödiauer, I. Graz, S. Bauer-Gogonea, S. Bauer, and T. Someya, “An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics”, Nature, 499, 458-463 (2013)
[3] M. Kaltenbrunner, G. Kettlgruber, C. Siket, R. Schwödiauer, and S. Bauer, S., „Arrays of ultracompliant electrochemical dry gel cells for stretchable electronics”, Advanced Materials, 22, 2065-2067 (2010)
[4] G. Kettlgruber, M. Kaltenbrunner, C. M. Siket, R. Moser, I. M. Graz, R. Schwödiauer, and S. Bauer, “Intrinsically stretchable and rechargeable batteries for self-powered stretchable electronics”, Journal of Materials Chemistry A, 1, 5505-5508 (2013)
[5] C. M. Siket, A. I. Mardare, M. Kaltenbrunner, S. Bauer, and A. W. Hassel, „Surface patterned dielectrics by direct writing of anodic oxides using scanning droplet cell microscopy”, Electrochimica Acta, 113, 755-761 (2013)
[6] D. S. Jeong, R. Thomas, R.S. Katiyar, J.F. Scott, H. Kohlstedt, A. Petraru, and C.S. Hwang, “Emerging memories: resistive switching mechanisms and current status”, Reports on Progress in Physics, 75, 076502 (2012)
[7] V. Macagno, and J. W. Schultze, "The growth and properties of thin oxide layers on tantalum electrodes", Journal of electroanalytical chemistry and interfacial electrochemistry 180.1, 157-170 (1984)