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3D Druck im Nanobereich

Die Additive Manufacturing (AM) der metallischer Strukturen im Mikro- und Nanobereich ist derzeit ein sich rasant entwickelndes Forschungsgebiet. Im Allgemeinen können 3D-Drucktechniken in Verfahren eingeteilt werden, die auf dem Transfer von vorsynthetisiertem Material beruhen, und Ansätze unter Verwendung einer lokalisierten Synthese (Abscheidung) von Metallen in situ. Die erstgenannte Klasse von Methoden verwendet typischerweise Metallnanopartikel, die durch direktes Tintenschreiben,1 elektrohydrodynamisches Drucken,2 Elektrophorese3 oder Einfangen von Nanopartikeln auf das Substrat gebracht werden.4 Oftmals werden Nachdruckschritte, z. B. zum Partikelsintern, sind in den Herstellungsverfahren enthalten und in einigen Fällen wird die endgültige Leistung der gedruckten Merkmale durch diese Nachbehandlungen beeinflusst.

Die andere Familie von AM-Methoden basiert auf der in-situ-Metallherstellung, d. h. der Umwandlung von Vorläuferspezies in festes Metall unter Verwendung von Elektronen- oder Ionenstrahlen,5 lokalen photochemischen Reaktionen6, 7 oder elektrochemischen Techniken. Diese Verfahren weisen im Allgemeinen eine höhere Druckauflösung auf, da keine Notwendigkeit besteht, Objekte wie Partikel oder große Tintenmengen zu manipulieren, was zu vollständig dichten Strukturen mit überlegenen mechanischen und elektrischen Eigenschaften führt und auch eine größere Auswahl an Druckmaterialien bietet. Elektrochemische Techniken sind aufgrund ihrer intrinsischen Einfachheit, der hohen Kontrolle über die Morphologie der resultierenden Merkmale und des Potenzials zur Automatisierung besonders vorteilhaft für mikro- und nanoskalige AM.

Kürzlich wurden mehrere elektrochemische Verfahren für Metall-AM im Submikrometerbereich eingeführt. Das Schlüsselprinzip, das diesen Techniken zugrunde liegt, basiert auf der Begrenzung der Elektroabscheidung durch lokalisierte Abgabe von Vorläuferspezies oder der Durchführung einer elektrochemischen Reaktion in einem kleinen Volumen auf dem Substrat mithilfe einer Tröpfchenzelle (siehe Abbildung 1). Die erstgenannte Familie von Ansätzen basiert auf dem Galvanisieren von lokal verteilten Ionen in Flüssigkeit, wobei Metallionen mit einer Nanopipette zugeführt werden. Metallionen werden lokal durch einen druckgetriebenen Fluss8, 9 oder durch Elektromigration aus einer Nanopipettenspitze10 eingebracht, die präzise positioniert und durch Kraft- oder Ionenstromrückkopplung in einem bestimmten Abstand zum gedruckten Merkmal gehalten wird. Eine andere Familie elektrochemischer 3D-Drucktechniken basiert auf der Elektrotauchlackierung, die in einem Flüssigkeitsmeniskus eingeschlossen ist, der zwischen einer Kapillarspitze und einem Substrat gebildet wird,11-14 ermöglicht das Drucken mit ca. 300 nm kritische Dimension.13 Andere aufkommende Techniken, wie ein neuer hydrodynamischer Redoxdruck, bringen weitere Vorteile eines Multimaterialdrucks mit hoher Auflösung nahe der 100-nm-Marke.15

Unser Ziel ist es, den 3D-Druck von Materialien wie Leitern und Halbleitern auf eine echte Nanoskala (<100 nm) zu bringen, wo eine Vielzahl von Anwendungen sofort verfügbar sind. Die additive Fertigung in dieser Dimension eröffnet neue Wege für die Herstellung von Sensorschnittstellen, nanomechanischen Systemen, Nanorobotern sowie nanoelektronischen Geräten, um eine beispiellose Leistung zu erreichen. Dies erfordert neue Ansätze für den 3D-Druck, kleinere Düsen, fortschrittliche lokale Liefermethoden sowie High-End-Hardware und -Software, die in der Lage sind, die gewünschten Architekturen zu erreichen. Eine weitere große Herausforderung sind die typischerweise niedrigen Druckraten, die sich um etwa Größenordnungen verbessern sollten, um Nano-Schnittstellen mit den realen Problemen zu verbinden. Unsere Gruppe arbeitet ständig daran, die Kapazität von nanoskaligen 3D-Drucktechniken auf ein neues Niveau zu heben.

Literaturhinweisen

1.         Ahn, B. Y.; Duoss, E. B.; Motala, M. J.; Guo, X.; Park, S.-I.; Xiong, Y.; Yoon, J.; Nuzzo, R. G.; Rogers, J. A.; Lewis, J. A. Omnidirectional Printing of Flexible, Stretchable, and Spanning Silver Microelectrodes. Science 2009, 323, 1590.

2.         Galliker, P.; Schneider, J.; Eghlidi, H.; Kress, S.; Sandoghdar, V.; Poulikakos, D. Direct Printing of Nanostructures by Electrostatic Autofocussing of Ink Nanodroplets. Nat. Commun. 2012, 3, 890.

3.         An, S.; Jhe, W. Nanopipette/Nanorod-Combined Quartz Tuning Fork–Atomic Force Microscope. Sensors 2019, 19.

4.         Takai, T.; Nakao, H.; Iwata, F. Three-Dimensional Microfabrication Using Local Electrophoresis Deposition and a Laser Trapping Technique. Opt Express 2014, 22, 28109-28117.

5.         Fisher, J. S.; Kottke, P. A.; Kim, S.; Fedorov, A. G. Rapid Electron Beam Writing of Topologically Complex 3D Nanostructures Using Liquid Phase Precursor. Nano Lett. 2015, 15, 8385-8391.

6.         Yee, D. W.; Lifson, M. L.; Edwards, B. W.; Greer, J. R. Additive Manufacturing of 3D-Architected Multifunctional Metal Oxides. Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 2019, 0, 1901345.

7.         Vyatskikh, A.; Delalande, S.; Kudo, A.; Zhang, X.; Portela, C. M.; Greer, J. R. Additive Manufacturing of 3D Nano-Architected Metals. Nat. Commun. 2018, 9, 593.

8.         Hirt, L.; Grüter, R. R.; Berthelot, T.; Cornut, R.; Vörös, J.; Zambelli, T. Local Surface Modification via Confined Electrochemical Deposition with FluidFM. RSC Adv. 2015, 5, 84517-84522.

9.         Hirt, L.; Ihle, S.; Pan, Z.; Dorwling-Carter, L.; Reiser, A.; Wheeler, J. M.; Spolenak, R.; Vörös, J.; Zambelli, T. Template-Free 3D Microprinting of Metals Using a Force-Controlled Nanopipette for Layer-by-Layer Electrodeposition. Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 2016, 28, 2311-2315.

10.       Momotenko, D.; Page, A.; Adobes-Vidal, M.; Unwin, P. R. Write–Read 3D Patterning with a Dual-Channel Nanopipette. ACS Nano 2016, 10, 8871-8878.

11.       Hu, J.; Yu, M.-F. Meniscus-Confined Three-Dimensional Electrodeposition for Direct Writing of Wire Bonds. Science 2010,329, 313.

12.       Daryadel, S.; Behroozfar, A.; Morsali, S. R.; Moreno, S.; Baniasadi, M.; Bykova, J.; Bernal, R. A.; Minary-Jolandan, M. Localized Pulsed Electrodeposition Process for Three-Dimensional Printing of Nanotwinned Metallic Nanostructures. Nano Lett. 2018, 18, 208-214.

13.       Lin, Y.-P.; Zhang, Y.; Yu, M.-F. Parallel Process 3D Metal Microprinting. Adv. Mater. Technol. (Weinheim, Ger.) 2019, 4, 1800393.

14.       Lei, Y.; Zhang, X.; Xu, D.; Yu, M.; Yi, Z.; Li, Z.; Sun, A.; Xu, G.; Cui, P.; Guo, J. Dynamic “Scanning-Mode” Meniscus Confined Electrodepositing and Micropatterning of Individually Addressable Ultraconductive Copper Line Arrays. J. Phys. Chem. Lett. 2018,9, 2380-2387.

15.       Reiser, A.; Lindén, M.; Rohner, P.; Marchand, A.; Galinski, H.; Sologubenko, A. S.; Wheeler, J. M.; Zenobi, R.; Poulikakos, D.; Spolenak, R. Multi-Metal Electrohydrodynamic Redox 3D Printing at the Submicron Scale. Nat. Commun. 2019, 10, 1853.

 

(Stand: 18.10.2021)