ZWEIDIMENSIONALE MATERIALSYSTEME FÜR ELEKTRONIK UND SENSORIK

"Geh nicht immer auf dem vorgezeichneten Weg, der nur dahin führt, wo andere bereits gegangen sind."
                                                                                                                   Alexander Graham Bell

2D Materialien sind eine relativ junge Klasse von Materialien, die aus sehr dünnen, im Idealfall monolagigen, aber dennoch kristallinen Schichten bestehen. Eine besondere Eigenschaft ist, dass hier unterschiedliche Schichten auch dann kombiniert werden können, wenn ihre Kristallgitter nicht angepasst sind. Allerdings dominieren andererseits generell Grenzflächen-Effekte die Eigenschaften von Schichtstapeln. Daraus erwachsen viele neue Fragen aus der Herstellung großflächiger, monolagiger Schichten, aber insbesondere auch aus der gezielten Strukturierung so dünner Schichtstapel, die für funktionale Elemente wie Transistoren oder Sensoren zwingend notwendig ist, und nur mit neuen Technologien gelöst werden kann.

2D-Elektronik/Sensorik ist transparent, flexibel und biokompatibel geworden. Dabei besitzt die Technologie für dieses hochaktuelle Feld der Mikroelektronik basierend auf 2D-Materialien noch nicht den für industrielle Massenanwendungen notwendigen Reifegrad.

Die Arbeit auf diesem Gebiert erfordert eine enge interdisziplinäre Kooperation mit Chemikern und Plasmatechnik-Experten, um monolagengenaue, großflächige additive und subtraktive Prozesse für 2D Materialien zu erforschen und sie für innovative Bauelemente und Mikrosysteme zu nutzen. Da die Eigenschaften der 2D Materialien u.a. eng verknüpft mit ihrer Kristallstruktur, der Anzahl an Atomlagen, der Morphologie, der Orientierung, der Grenzflächen und der Dotierung sind, können sie hinsichtlich ihrer mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften vielfältig konfiguriert werden.
Grundlage dieser Arbeiten ist eine leistungsfähige Forschungsinfrastruktur mit neuartiger Anlagentechnik, um die hochempfindlichen Schichten durchgehend im Vakuum bearbeiten zu können.

Die Basis dazu legt das BMBF Forschungslabor Mikroelektronik Bochum für 2D-Elektronik ForLab PICT2DES. Es ist eines von 12 Forschungslaboren in Deutschland. Gegenstand ist ein Prozess-integrierendes Clustertool für bis zu 200 mm Substrate, welches Atomlagen-Abscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD), Atomlagen-Ätzung (Atomic Layer Etching, ALE), Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PECVD) sowie Reaktives Ionenätzen (Reactive Ion Etching, RIE) mit in-situ Plasmadiagnostik in einem Gerät, ohne Vakuumbruch beim Transfer zwischen den Prozessen, vereint. Ziel ist es, neuartige Elektroniksysteme auf Basis der 2D-Integration zu entwickeln, die Marktsegmente wie die flexible Mikroelektronik, hochsensitive Sensoren oder mikrofluidische Systeme erschließen. Das Clustertool wird derzeit beschafft und soll bis 2021 vollständig in Betrieb gehen.

Im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms „High Frequency Flexible Bendable Electronics for Wireless Communication Systems” FFlexCom, SPP 1796 geht es um die Realisierung erster vollständig biegsamer integrierter Dünnfilmelektronik zur drahtlosen Kommunikation und deren Hochfrequenzeigenschaften. Um Frequenzen im niedrigen GHz Bereich zu erzielen, kommen innovative Materialklassen zum Einsatz, die neben einer hohen Beweglichkeit eine ausreichende mechanische Stabilität bieten. Gemeinsam mit der Gruppe für Anorganische Chemie (Prof. Dr. Anjana Devi) wird die faszinierende Materialklasse der Übergangsmetalldichalkogenide und deren Anwendung in flexibler, biegsamer Elektronik erforscht. Die Übergangsmetall-Dichalkogenide zeigen eine hohe Transparenz, eine gegenüber den organischen und Metalloxid-Halbleitern deutlich höhere Leitfähigkeit und hohe mechanische Stabilität.

Im Rahmen des BMBF geförderte ForMikro Projekts „Erforschung neuartiger, flexibler Sensorsysteme auf Basis zweidimensionaler Materialsysteme“ FlexTMDSense wird ein Konsortium aus vier Gruppen der RUB (Mikrosystemtechnik, Chemie Anorganischer Materialien, Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik, Laseranwendungstechnik) und dem Fraunhofer-Institut Mikroelektronische Schaltungen (IMS) Duisburg. Das Projekt wird von sechs Industriepartnern begleitet. Ziel ist es, auf Basis der 2D Materialien und aufbauend auf den Erkenntnissen der Grundlagenforschung erste Funktionsmuster flexibler Sensorsysteme (Gassensoren sowie pH-Sensorsysteme) auf 200 mm Substraten zu fertigen.