11.08.2021 - University of Minnesota

Neue Technologie wird eine effizientere Herstellung wichtiger Metalle ermöglichen

Patentierte Technologie wird die Produktion vieler Elektronik- und Computerbauteile verbessern

Forscher des University of Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering haben eine billigere, sicherere und einfachere Technologie erfunden, die es ermöglicht, eine "widerspenstige" Gruppe von Metallen und Metalloxiden zu dünnen Filmen zu verarbeiten, die in vielen elektronischen Geräten, Computerkomponenten und anderen Anwendungen eingesetzt werden.

Die Forscher arbeiteten mit dem Technology Commercialization Office der University of Minnesota zusammen, um die Technologie zu patentieren, und haben bereits das Interesse der Industrie geweckt.

Viele Metalle und ihre Verbindungen müssen zu dünnen Schichten verarbeitet werden, bevor sie in technischen Produkten wie Elektronik, Displays, Brennstoffzellen oder katalytischen Anwendungen eingesetzt werden können. "Hartnäckige" Metalle, zu denen unter anderem Elemente wie Platin, Iridium, Ruthenium und Wolfram gehören, lassen sich jedoch nur sehr schwer in dünne Schichten umwandeln, da sie extrem hohe Temperaturen (in der Regel mehr als 2.000 Grad Celsius) benötigen, um zu verdampfen.

Normalerweise synthetisieren Wissenschaftler diese Metallschichten mit Techniken wie Sputtern und Elektronenstrahlverdampfung. Bei letzterem werden Metalle bei hohen Temperaturen geschmolzen und verdampft, so dass sich auf den Wafern ein Film bildet. Diese herkömmliche Methode ist jedoch sehr teuer, verbraucht viel Energie und kann aufgrund der verwendeten Hochspannung auch unsicher sein.

Forscher der University of Minnesota haben nun eine Möglichkeit entwickelt, diese Metalle bei deutlich niedrigeren Temperaturen zu verdampfen, nämlich bei weniger als 200 Grad Celsius statt bei mehreren tausend. Durch die Entwicklung und das Hinzufügen organischer Liganden - Kombinationen aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen - zu den Metallen konnten die Forscher den Dampfdruck der Materialien erheblich erhöhen, so dass sie sich bei niedrigeren Temperaturen leichter verdampfen lassen. Ihre neue Technik ist nicht nur einfacher, sondern ermöglicht auch die Herstellung hochwertigerer Materialien, die leicht skalierbar sind.

"Die Fähigkeit, neue Materialien einfach und kontrolliert herzustellen, ist für den Übergang in eine neue Ära der Energiewirtschaft von entscheidender Bedeutung", so Bharat Jalan, Hauptautor der Studie, Experte für Materialsynthese und außerordentlicher Professor und Shell-Lehrstuhlinhaber am Department of Chemical Engineering and Materials Science (CEMS) der University of Minnesota. "Es gibt bereits eine historische Verbindung zwischen der Innovation in der Synthesewissenschaft und der Entwicklung neuer Technologien. Millionen von Dollar fließen in die Herstellung von Materialien für verschiedene Anwendungen. Jetzt haben wir eine einfachere und billigere Technologie entwickelt, die bessere Materialien mit atomarer Präzision ermöglicht.

Diese Metalle werden zur Herstellung zahlreicher Produkte verwendet, von Halbleitern für Computeranwendungen bis hin zur Displaytechnologie. Platin eignet sich zum Beispiel auch hervorragend als Katalysator für die Energieumwandlung und -speicherung und wird für den Einsatz in spintronischen Geräten geprüft.

"Die Senkung der Kosten und der Komplexität der Metallabscheidung bei gleichzeitiger Ermöglichung der Abscheidung komplexerer Materialien wie Oxide wird sowohl für die Industrie als auch für die Forschung eine große Rolle spielen", so William Nunn, Doktorand der Chemie- und Materialwissenschaften an der University of Minnesota, Erstautor der Arbeit und Empfänger des Robert-V.-Mattern-Stipendiums der Fakultät. "Jetzt, da die Abscheidung dieser Metalle wie Platin einfacher wird, hoffen wir auf ein erneutes Interesse an den komplexeren Materialien, die diese hartnäckigen Metalle enthalten."

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