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© ngweikeong dreamstime.com Elektronikproduktion | 22 Februar 2013

Elektronik kommt zu Papier

Papier dient als leichtes und faltbares Rohmaterial, um auf kostengĂŒnstige und einfache Weise elektrisch leitende Strukturen zu erzeugen.
Papier wird zum Hightech-Werkstoff. Forscher des Max-Planck-Instituts fĂŒr Kolloid- und GrenzflĂ€chenforschung in Potsdam-Golm haben gezielt leitfĂ€hige Strukturen in Papier erzeugt, und zwar auf sehr einfache Weise: Mit einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker druckten sie einen Katalysator auf einen Papierbogen und erhitzten das Blatt anschließend. Dabei verwandelten sich die bedruckten Bereiche in leitfĂ€higen Graphit. Papier eignet sich mithin als preiswerter, leichter und flexibler Ausgangsstoff fĂŒr elektronische Bauteile in AlltagsgegenstĂ€nden. Mit kostengĂŒnstigen und biegsamen Mikrochips erschließen sich der Elektronik Anwendungen, fĂŒr die Silicium-Chips zu sperrig und teuer sind und fĂŒr die die inzwischen weit verbreiteten RFID-Chips nicht genug leisten: Kleidung etwa, die Körperfunktionen kontrolliert, flexible Bildschirme oder Etiketten, die ĂŒber ein Produkt mehr verraten als sich auf die Verpackung drucken lĂ€sst. Zwar entwickeln weltweit zahlreiche Forscher erfolgreich flexible Chips, sie setzen dabei aber fast immer auf Kunststoffe als TrĂ€ger und nutzen teilweise auch Polymere und andere organische MolekĂŒle als leitfĂ€hige Komponenten. Diese Materialien erfĂŒllen viele Bedingungen, die an sie gestellt werden, sie sind aber durchweg hitzeempfindlich. „Ihre Verarbeitung lĂ€sst sich nicht in die ĂŒbliche Produktion von Elektronik integrieren, weil dabei Temperaturen ĂŒber 400 Grad Celsius auftreten“, sagt Cristina Giordano, die am Max-Planck-Institut fĂŒr Kolloid- und GrenzflĂ€chenforschung eine Arbeitsgruppe leitet und nun eine Alternative prĂ€sentiert. Papier-Elektronik ermöglicht dreidimensionale leitfĂ€hige Strukturen Die Kohlenstoff-Elektronik, die Giordano und ihre Kollegen aus Papier herstellen, hĂ€lt bei der Herstellung unter Sauerstoff-Ausschluss dagegen selbst Temperaturen um die 800 Grad Celsius aus und wĂŒrde die gĂ€ngigen Prozesse nicht durcheinander bringen. Und das ist nicht der einzige Trumpf einer Elektronik aus Papier: Das leichte und preiswerte Material lĂ€sst sich auch denkbar einfach verarbeiten, und das sogar zu dreidimensionalen leitfĂ€higen Strukturen. In Graphit verwandeln die Potsdamer Forscher die Cellulose des Papiers mit Eisennitrat als Katalysator. „Mit einem handelsĂŒblichen Tintenstrahldrucker tragen wir eine Lösung des Katalysators in einem fast beliebig feinen Muster auf ein Blatt auf“, sagt Stefan Glatzel, der die Elektronik in seiner Doktorarbeit aufs Papier gebracht hat. Wenn die Forscher die mit Katalysator bedruckten Bögen in einer Stickstoff-AtmosphĂ€re nun auf 800 Grad Celsius erhitzen, setzt die Cellulose solange Wasser frei, bis nur noch reiner Kohlenstoff ĂŒbrig bleibt. WĂ€hrend in den bedruckten Bereichen jedoch eine elektrisch leitende Mischung aus den regelmĂ€ĂŸig strukturierten KohlenstoffblĂ€ttern des Graphit und Eisencarbid entsteht, lĂ€sst die Hitze die restlichen Gebiete als Kohlenstoff ohne regelmĂ€ĂŸige Struktur zurĂŒck, der nicht leitfĂ€hig ist. Dass auf diese Weise tatsĂ€chliche prĂ€zise geformte Leiterbahnen entstehen, bewiesen die Forscher in einem einfachen Experiment: Sie druckten den Katalysator zunĂ€chst im Muster der Minerva, des filigranen Symbols der Max-Planck-Gesellschaft, auf eine Blatt Papier und verwandelten das Muster in Graphit. Anschließend verwendeten sie die Graphit-Minerva als Kathode, die sie elektrolytisch mit Kupfer ĂŒberzogen. Nur auf den Linien, die der Drucker vorgezeichnet hatte, schied sich dabei das Metall ab. Origami-Kranich im Kupfer-Kleid Mit einem weiteren Versuch demonstrierte das Potsdamer Team, wie sich mit ihrer Methode dreidimensionale, leitfĂ€hige Strukturen erzeugen lassen. DafĂŒr falteten sie einen Papierbogen zu einem Origami-Kranich, den sie mit dem Katalysator trĂ€nkten und zu Graphit buken. „Die dreidimensionale Form blieb dabei vollkommen erhalten, bestand nach dem Prozess aber durch und durch aus leitfĂ€higem Kohlenstoff“, sagt Stefan Glatzel. Das zeigte er wiederum, indem er den Origami-Vogel elektrolytisch mit Kupfer ĂŒberzog. Jeder Fleck der Bastelarbeit prĂ€sentierte sich danach in kupfernem Glanz. Wie die katalytische Umsetzung ablĂ€uft, klĂ€rten die Max-Planck-Wissenschaftler schließlich auch noch auf. Sie drehten mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop nĂ€mlich einen Film des Prozesses und beobachteten auf diese Weise, dass der Katalysator in Form von Nanotröpfchen einer Eisen-Kohlenstoffschmelze durch das Papier wandert und dabei Graphit zurĂŒck lĂ€sst. Auch dieser Aspekt könnte fĂŒr mögliche Anwendungen des Verfahrens interessant sein. Denn wenn Chemiker besser verstehen, was dabei passiert, können sie die Reaktion auch genauer steuern. Und das gilt nicht nur fĂŒr die Produktion von Papier-Elektronik sondern auch fĂŒr die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wo Eisen bereits seit lĂ€ngerem als Katalysator eingesetzt wird. Aus dĂŒnnem Papier könnten sich Graphen-Strukturen erzeugen lassen Mit dem Video der Graphit-Bildung haben die Forscher einen umfassenden Einblick in die katalytische Umwandlung gewonnen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden sie nun versuchen, einen Disput ĂŒber den Mechanismus der Umsetzung zu beenden. Einige ihrer Fachkollegen vermuten nĂ€mlich, dass die Reaktion im festen Zustand ablĂ€uft. „Unsere Studie deutet jedoch auf die Bildung einer Schmelze, eines sogenannten Eutektikums, hin.“ sagt Cristina Giordano. „Interessant ist hierbei, dass Eisen allein erst bei rund 700 Grad höheren Temperaturen schmilzt.“ Warum die Mischung aus Eisen und Kohlenstoff bei relativ niedrigen Temperaturen schmilzt, untersucht das Team von Cristina Giordano nun nĂ€her. Möglicherweise lĂ€sst sich der Effekt nĂ€mlich auch an anderer Stelle ausnutzen. Zudem werden die Forscher weiter das Potenzial der Papier-Elektronik ausloten. So wollen sie nicht nur die magnetischen Eigenschaften ausnutzen, die das Material dem Eisencarbid verdankt. Indem sie die PapierstĂ€rke reduzieren, und den Prozess geschickt steuern, wollen sie auch Leiterbahnen aus Graphen erzeugen. Bei Graphen handelt es sich um ein einzelnes der KohlenstoffblĂ€tter, die sich im Graphit ĂŒbereinander stapeln. „Außerdem werden wir Graphit mit anderen Materialien kombinieren“, erklĂ€rt Giordano. Der Tintenstrahldrucker macht es möglich. Denn aus seinen Kartuschen lassen sich außer der Eisennitrat-Lösung auch Lösungen anderer Metallsalze oder Dispersionen, die im Wasser feinverteilte Metallpartikel enthalten, zu Papier bringen.
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