Argovia-Projekte 2015

A10.07 RepAll – Nach dem Vorbild der Natur

2015-2016

Die Natur als Vorbild nutzen auch Forschende um Projektleiterin Dr. Sonja Neuhaus von der FHNW in Windisch. Sie erarbeiten im Argovia-Projekt RepAll die Grundlagen für neuartige Oberflächen, an denen Wasser und andere Flüssigkeiten abperlen. Um das beste Ergebnis zu erzielen, untersuchen die Forschenden dazu strukturierte Oberflächen, die zusätzlich chemisch funktionalisiert werden.

Spezielle Morphologie und besondere Beschichtung

Die Natur hat im Laufe der Evolution verschiedene Wege gefunden, um die Benetzung von Oberflächen zu verhindern. Das bekannteste Beispiel dafür ist das Blatt der Lotusblume. Aber auch auf Entenfedern oder dem Schwimmfarn Salvinia perlt Wasser sofort ab. Die Oberflächen von Lotusblume, Schwimmfarn und Feder zeichnen sich durch besondere Oberflächenstrukturen aus. Im Fall der Lotuspflanze werden die speziellen morphologischen Eigenschaften mit einer hydrophoben, wachsartigen Beschichtung kombiniert, die den abweisenden Effekt noch verstärkt.

Im Projekt RepALL untersuchen nun Dr. Sonja Neuhaus (FHNW), Dr. Robert Kirchner (PSI) und der Industriepartner verschiedene Methoden, um Oberflächen nach dem Vorbild der Natur herzustellen. Sie kombinieren dazu die Möglichkeiten von Grauwert-Elektronenstrahllithographie und Elektronenstrahl-induzierten Graftingreaktionen. Skalierbare Prozesse wie Roll- und Heissprägen kommen bei der Vervielfältigung der Strukturen zum Einsatz.

A10.08 Atolys – Mit theoretischen Berechnungen und Experimenten zu verbesserten Hochleistungshalbleitern

2015-2017

Im Argovia-Projekt Atolys untersuchen Wissenschaftler-Teams unter Leitung von Professor Stefan Goedecker vom Departement Physik der Universität Basel bestimmte Bauteile von Transistoren, die für hohe Stromstärken ausgelegt sind. Die Forschenden von der Universität Basel, dem Paul Scherrer Institut und ABB aus Baden-Dättwil kombinieren in dem Projekt theoretische und experimentelle Methoden um Grenzflächen zwischen Siliziumkarbid und Siliziumdioxid in Halbleitern zu untersuchen. Die Studien, die genauste Daten über die Struktur der Halbleiter liefern sollen, werden helfen Geräte, die für hohe Stromstärken ausgelegt sind, weiter zu verbessern.

ABB erforscht Hochleistungshalbleiter

Der weltweite Trend nachhaltige Energien vermehrt zu nutzen macht es erforderlich, neuartige und effiziente Systeme zur Stromgewinnung und -verteilung zu entwickeln. Das ABB Corporate Research Center (CRC) im Kanton Aargau forscht auf diesem Gebiet und entwickelt Leistungselektronik, die auch mit grossen Stromstärken bei hohen Spannungen intelligent umzugehen weiss. Die Entwicklung und Erforschung von Hochleistungshalbleitermaterialien machen einen grossen Teil dieser Anstrengungen aus. Hochleistungshalbleiter werden beispielsweise eingesetzt, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Dies ist unter anderem notwendig, um durch Photovoltaik gewonnenen Strom ins Netz einzuspeisen oder auch Strom über grosse Distanzen zu transportieren.

Siliziumkarbid – das Material der Zukunft

Die Halbleiter der Zukunft bestehen möglicherweise nicht mehr aus Silizium, sondern aus Siliziumkarbid. Dessen Eigenschaften lassen es zu, kleinere Geräte zu bauen, die einfacher gekühlt werden können und kleinere Widerstände besitzen. In speziellen Halbleiterbauelementen (MOSFETs) spielt die Grenzfläche zwischen Siliziumkarbid und dem Isolationsmaterial Siliziumdioxid eine wichtige Rolle. Es ist empirisch bekannt, dass die Anzahl der Defekte mit Stickstoff und anderen Elementen reduziert werden kann. Die mikroskopischen Mechanismen, die zu dieser Passivierung – also zur Bildung einer Schutzschicht führen – sind bisher unbekannt. Um diese Mechanismen zu untersuchen und damit verbundene Fragen zu klären, wird das Wissenschaftlerteam mit Professor Goedecker, Professor Thomas Jung (PSI) und Dr. Jörg Lehmann und Dr. Holger Bartolf (beide ABB) theoretische Simulationen mit experimentellen Studien verbinden und die atomare Struktur der Grenzflächen analysieren.

A10.10 Nano-Cicada-Wing – Dem Zikadenflügel nachempfunden

2015-2017

Im Argovia-Projekt Nano-Cicada-Wing untersuchen Wissenschaftler des Departements Physik der Universität Basel, der Hochschule für Life Sciences der FHNW und der Firma DSM in Kaiseraugst eine innovative Methode um Oberflächen ohne den Einsatz von antimikrobiell aktiven Substanzen mit bakteriziden Eigenschaften auszustatten. Die Forschenden folgen dabei dem Vorbild der Natur, indem sie die Struktur von Zikadenflügeln nachbilden. Diese besitzen basierend auf einem rein mechanischen Prinzip bakterizide Eigenschaften. Sie sind übersät von winzigen, Nanometer grossen säulenartigen Strukturen, die den Flügel stark wasserabweisend machen. Bakterien allerdings haften sehr gut an den Nanosäulen – so gut, dass sich ihre Zellmembran bei Bewegung der Säulchen dehnt und schliesslich zerreisst, was zum Absterben der Bakterien führt. Die bakterizide Wirkung basiert auf einem rein mechanischen Prinzip und nicht auf bakterizid oder antibiotisch wirkenden Substanzen. Es besteht die Hoffnung, dass sich gegen dieses mechanische Wirkprinzip weniger schnell Resistenzen bilden.

Bakterizide Kunststoffoberflächen mit grossem Einsatzbereich

Nachdem es bereits gelungen ist, dieses Prinzip auf Silizium und Titan-Oberflächen nachzuahmen, wollen die Forschenden im Nano-Cicada-Wing-Projekt die Erkenntnisse auch auf Kunststoffoberflächen anwenden, da das Spektrum der möglichen Anwendungen weitaus grösser ist. Das Team mit Projektleiter Professor Ernst Meyer, Dr. Thilo Glatzel, Dr. Marcin Kisiel (Universität Basel), Dr. Joachim Köser (FHNW) und Dr. Hubert Hug (DSM) produziert dazu zunächst Polymere mit verschiedenen nanostrukturierten Oberflächen ähnlich der eines Zikadenflügels. Die Oberfläche wird zudem auf unterschiedliche Weise chemisch behandelt, um die Wirkung zu verstärken. Dann wenden sich die Wissenschaftler der Aktivität der Bakterien und ihrer biomechanischen Charakterisierung basierend auf rasterkraftmikroskopischen Untersuchungen zu. Der erfolgreiche Abschluss des Projektes könnte die Tür für zahlreiche Anwendungen öffnen – von medizinischen Produkten wie Kathedern, die deutlich weniger mit Bakterien besiedelt werden, bis zu bakteriziden Lebensmittelverpackungen, in denen Lebensmittel länger haltbar sind.

A10.13 SurfFlow – Möglichst glatt ist das Ziel

2015-2016

Während in einigen Argovia-Projekten raue Oberflächen angestrebt werden, um einen Lotuseffekt zu erzielen, plant das Team um Projektleiter Dr. Helmut Schift vom Paul Scherrer Institut (PSI) im Projekt SurfFlow Mikrolinsen mit sehr glatten Oberflächen zu produzieren, die für optische Anwendungen verwendet werden können.

Neue Methoden sind gefragt

Optische Mikrolinsen aus Polymeren kommen in verschiedenen Geräten wie Smartphones zur Anwendung. Aufgrund der geringen Abmessungen erfordert ihre Bearbeitung neuartige Methoden der 3D-Lithografie, die die Linsen aus dünnen Schichten aufbauen. Diese führen aber oft zu Rauigkeiten, die für die optische Anwendungen negative Auswirkungen haben. Wenn diese Unebenheiten der Oberfläche nachträglich beseitigt werden sollen, müssen Methoden gewählt werden, die wirklich nur die winzige Oberfläche modifizieren, darunterliegende Schichten jedoch nicht verändern und auch die Form nicht beeinflussen. Derartige Methoden untersucht das Wissenschaftler-Team um Dr. Helmut Schift (PSI), Dr. Sonja Neuhaus (FHNW) und Mirco Altana (Heptagon Advanced Micro Optics).

Nur die Oberfläche, nicht die Form

Dabei wenden die Forscher eine TASTE genannte Methode an, die am PSI entwickelt wurde. Hierbei werden selektiv die Materialeigenschaften des Teils der Probe verändert, der später bearbeitet werden soll. So lässt sich beispielsweise selektiv in bestimmten Arealen die Glasübergangstemperatur (Temperatur, bei der sich die Polymere vom festen Zustand in eine zähflüssige Schmelze umwandeln) durch einen Elektronenstrahl reduzieren. Wird die Probe nun in einem Durchlaufofen leicht erwärmt, erreichen nur die behandelten Teil ihre Glasübergangstemperatur und glätten sich, während die Form sowie tiefer liegende Schichten so gut wie unverändert bleiben. Mit dem gewählten Ansatz hoffen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Wege zu finden, um neue Methoden der 3D-Lithografie auch für die Herstellung von optischen Linsen einsatzfähig zu machen.

A10.14 VERSALITH – Erhöhte Auflösung und verschiedene Muster

2015

Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI), der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) und der Firma Eulitha AG in Villigen haben mit Beginn des Jahres 2015 das Argovia-Projekt «Versalith» gestartet. Unter Leitung von Professor Jens Gobrecht (PSI) wollen die Wissenschaftler eine neue Methode entwickeln, um die «Displacement-Talbot»-UV-Lithografie so weiterzuentwickeln, dass Muster mit deutlich höherer Auflösung als bisher möglich übertragen werden können.

Enorme Fortschritte

Lithografische Methoden wurden in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt. Vor allem zur Herstellung von Halbleiter-Chips haben Wissenschaftler komplexe Prozesse und Werkzeuge entwickelt, die es ermöglichen auf wenigen Nanometern ganze Schaltkreise unterzubringen und somit Chips mit Milliarden von Schaltkreisen zu produzieren. Für andere Anwendungen wie LEDs beispielsweise werden allerdings günstigere Herstellungsmethoden benötigt, die aber trotzdem spezielle Anforderungen erfüllen müssen, besonders hinsichtlich der Auflösung.
Bei der Herstellung von Halbleiter-Chips wird das komplette Bild einer Fotomaske verkleinert auf einen lichtempfindlichen Fotolack projiziert. Bei der weitaus kostengünstigeren «Displacement Talbot Lithography» (DTL) dagegen wird ein durch Interferenzeffekte entstehendes «self-image» einer periodischen Struktur auf der Fotomaske in den Fotolack belichtet. Das Bild entsteht dabei durch die Interferenz einer ganzen Reihe von Strahlen, die durch das periodische Muster der Maske gebeugt werden. Damit kann auch mit einem vergleichsweise einfachen optischen System eine Strukturauflösung im Fotolack von unter 200 nm erreicht werden (siehe www.eulitha.com). Während damit bisher nur einfache, periodische Strukturen übertragen werden konnten, erforschen die Wissenschaftler im Projekt «Versalith» jetzt die Herstellung und den Einsatz von vielschichtigen Masken, die die Auflösung weiter erhöhen und die Herstellung anderer Muster erlauben, für die sie bereits ganz konkrete Anwendungen im Visier haben. Beteiligt sind neben Projektleiter Professor Jens Gobrecht, die Gruppen von Dr. Vitaliy Guzenko (PSI), Professor Per Magnus Kristiansen (FHNW) und Dr. Harun Solak (Eulitha AG).