Onderzoekers van de Technische Universität München (TUM) wijzen de weg naar goedkope massaproductie van een nieuw soort elektronische componenten. Een goed voorbeeld is een gassensor, die zou kunnen worden geïntegreerd in het verpakkingsmateriaal van levensmiddelen, om de versheid van de waren te meten. Hij zou ook kunnen worden geïntegreerd compacte, draadloze sensoren voor de luchtkwaliteit.
Ook wordt er gewerkt aan een nieuw soort zonnecellen en buigzame transistoren, zoals druk- en temperatuursensoren, die toepassing zouden kunnen vinden in de elektronische robot of andere bionische toepassingen. Dit alles kan worden gerealiseerd met koolstof nanobuisjes, die men als inkt op buigzame kunststoffolie of op andere substraten spuit.
Gassensoren
De aan de TU van München ontwikkelde gassensoren op basis van koolstof nanobuisje overtreffen andere technologieën met hun combinatie van kenmerken. Ze registreren onmiddellijk en reageren continu op de kleinste veranderingen in de concentratie van gassen als ammoniak, kooldioxide en stikstofoxide. Ze werken bij kamertemperatuur en verbruiken nauwelijks energie.
De TUM-onderzoekers geven in hun laatste publicatie aan, dat dergelijke componenten met grote oppervlakken en goedkope processen op flexibele substraten kunnen worden gespoten.
Zo kan men zich voorstellen, dat levensmiddelen in kunststoffen worden verpakt, die zijn uitgerust met dergelijke flexibele gassensoren. De gasconcentraties, die hiermee kunnen worden gemeten, vormen een nauwkeurige indicatie voor de actuele frisheid van levensmiddelen, net als een routinematig opgedrukte houdbaarheidsdatum.
Door het meten van kooldioxide kan bijvoorbeeld de waarschijnlijke houdbaarheid van vlees worden vastgesteld. Als de verbruikers deze intelligente verpakking accepteren en de betrouwbaarheid van de componenten bewezen is, zou die techniek de voedselveiligheid verhogen. In een ander toepassingsgebied zou deze vorm van gassensoren de real time bewaking van de luchtkwaliteit van binnenruimte goedkoper en praktische maken.
Niet zo eenvoudig, maar heel simpel
Wetenschapper Dr.-Ing. Alaa Abdellah en zijn collega’s hebben bij het TUM-Institut für Nanoelektronik aangetoond, dat hoogwaardige gassensoren daadwerkelijk kunnen worden opgespoten op flexibele kunststof substraten. Hiermee zou de deur naar commerciële toepassing van sensoren op basis van koolstof nano buisjes en andere toepassingen kunnen worden geopend. “Het is eigenlijk heel simpel, als men weet hoe het werkt”, merkt professor Paolo Lugli, leider aan het instituut op.
Het belangrijkste onderdeel van deze technologie is een enkel cilindervormig molecuul, dat bestaat uit een opgerolde honingraat met aan elkaar verbonden koolstofatomen. Deze zogenaamde nanobuis is zoiets als een onvoorstelbaar lange tuinslang. Deze holle buisjes hebben een doorsnee van ongeveer een nanometer, maar kunnen vele miljoenen keren langer zijn dan dik.
Eigenschappen
Individuele koolstof nanobuisjes hebben verbazingwekkende eigenschappen. In dit geval is de onderzoeker vooral geïnteresseerd in wat men met grote aantallen koolstofbuisjes kan doen. Koolstof nanobuisjes die in een dunne film zijn verspreid en willekeurig uitgericht, vormen geleidende netwerken, die kunnen dienen als elektroden. Gestructureerd en in lagen zouden ze als sensoren of transistoren kunnen worden gebruikt. “De elektrische weerstand van deze filmlagen kan daadwerkelijk met een externe spanning of door absorptie van gasmoleculen worden gemoduleerd”, verklaart prof. Lugli.
Vooral als basismateriaal voor gassensoren combineren koolstof nanobuisjes de voordelen (en vermijden de nadelen) van conventionele materialen zoals geleidende polymeren of vaste metaaloxide halfgeleiders. Tot nu toe ontbrak het echter nog aan een betrouwbaar, reproduceerbaar en goedkoop productieproces.
Deze kloof wordt nu door het opspuiten en indien nodig door aanvullende transferdruk overbrugd. Een waterige oplossing van koolstof nanobuisjes ziet eruit als een fles zwarte inkt en kan op gelijke manier worden gebruikt. Hiermee kunnen componenten door een computergestuurde robotsproeier praktisch op elke soort ondergrond worden gespoten, ook op grote oppervlakken kunststoffolie. Kostbare schone ruimtes zijn niet noodzakelijk.
Uitdagingen
“Het was voor ons belangrijk om een technologieplatform te ontwikkelen, dat gemakkelijk kan worden opgeschaald, zodat daarmee grote oppervlakken kunnen worden bedrukt en dat er buigzame elektronica op basis van organische halfgeleiders en nano materialen kunnen worden vervaardigd”, zegt dr. Abdellah. “Opspuiten vormt hiervoor de kern van onze procestechnologie”.
Technische uitdagingen, die nog moeten worden opgelost, zijn hoofdzakelijk van toepassingsspecifieke aard, zoals de vraag naar gassensoren, die zowel selectief als gevoelig werken.
Het onderzoeksproject werd ondersteund door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in het kader van het cluster ‘Nanosystems Initiative Munich’ (NIM) en door de staat Beieren in het kader van het project SolTech – Solar Technologies go Hybrid.
