Mikrosysteme sind unverzichtbare Sensor-Komponenten in der Medizin- und Mobilitätstechnik, Cybersicherheit und Kommunikationstechnologie sowie bei der Steuerung vernetzter Fertigungsprozesse. Aber auch für die Energiewende sind sie von wachsender Bedeutung. Wissenschaftler der Hochschule RheinMain (HSRM) entwickeln am Campus Rüsselsheim nun eine Plattform zur Mikro-Nano-Integration von neuartigen Sensorelementen. Gemeinsam mit dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt und der Archigas GmbH aus Rüsselsheim am Main sollen in den kommenden Jahren Nanostrukturen in Mikrosysteme integriert werden, was erhebliche Fortschritte bei der Wasserstoff- und Infrarotdetektion verspricht. Im Zentrum steht die nun eingeweihte Elektronenstrahl-Lithografie-Anlage „eLine“. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt mit 1,65 Millionen Euro gefördert.
Von Physikern und Ingenieuren der HSRM werden derzeit vor allem Mikrosysteme, sogenannte Micro-Electromechanical Systems (MEMS), wie zum Beispiel Drucksensoren für die Prozessmesstechnik oder mikrooptische Elemente für die Materialbearbeitung entwickelt. Die Strukturen dieser Systeme haben Abmessungen im Bereich weniger Mikrometer (Tausendstel Millimeter). „Eine ganz neue Herausforderung ist die Einbringung von sogenannten Nanostrukturen in diese Mikrosysteme. Nanostrukturen weisen Abmessungen von weniger als einem Tausendstel eines Haardurchmessers auf“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Markus Bender. „Bei Elektronikkomponenten führt die Verwendung von Nanostrukturen zu größeren Integrationsdichten, also mehr Komponenten auf kleinerem Raum, und mehr Rechenleistung auf gleichem Raum. Aber bei Sensoren kann der Einbau separat hergestellter Nanostrukturen zu ganz neuen physikalischen Effekten führen, wie höherer Empfindlichkeit, schnellerer Ansprechzeit oder Multifunktionalität. Hauptziele unseres Forschungsprojekts sind deshalb die Integration von Nanostrukturen in die Mikrosysteme sowie die Erstellung sicherer und reproduzierbarer Herstellungs- und Handhabungsmethoden.“
Neues Nanostrukturierungsgerät am Campus Rüsselsheim
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde nun die Elektronenstrahl-Lithografie-Anlage „eLine“ am Campus Rüsselsheim installiert und feierlich eingeweiht. „Mit dieser Plattform können wir Nanostrukturen generieren, die für diese Sensorentwicklung so relevant sind. Unter deutschen Hochschulen für Angewandte Wissenschaften dürfte sich kaum ein solches Gerät befinden, das Herstellung und Manipulation von Strukturen im Sub-10-nm-Bereich erlaubt“, sagt Prof. Dr. Bender.
Wasserstoff- und Infrarotsensoren für die Energiewende
„Damit stellen wir Sensor-Prototypen her, die unter anderem beim Nachweis von Wasserstoff und der Erkennung von Infrarotsignalen eingesetzt werden können“, ergänzt Prof. Dr. Hans-Dieter Bauer. Konkret wird an der HSRM die Entwicklung zweier Sensortypen zur selektiven Wasserstoffmessung und ein Infrarotsensor angestrebt. Erstere dienen der Überwachung der Wasserstoff-Versorgungskette, von der Erzeugung über die Verteilung und Speicherung bis hin zur energetischen Umsetzung in Brennstoffzellen. Infrarotsensoren wiederum wandeln Strahlungsenergie aus dem infraroten Spektrum des Lichts in elektrische Energie und somit in ein elektrisches Signal um.
Im Forschungsprojekt liegt der Fokus auf der Herstellung effizienter Infrarotsensoren, die aus einem nicht-toxischen und gleichzeitig günstigem Material bestehen, was bis dato an geeigneten Ausgangsstoffen und angepassten Handhabungsmethoden scheitert. „Im Projekt setzen wir auf fortschrittliche Techniken wie sogenanntes Femtosekundenlaser-basiertes Hyperdotieren von Silizium, um die notwendigen elektronischen Eigenschaften bei den Mikrosystemen und damit den zukünftigen Sensoren zu erzielen. Im Hinblick auf die Infrarotsensoren kann die Umwandlung der Energie aber auch für höchst effiziente Solarzellen zum Einsatz kommen. Damit haben die Sensoren auch eine enorme Bedeutung für die aktuell laufende Transformation hin zu umweltfreundlichen Energien“, so Prof. Dr. Stefan Kontermann, der Experte für Ultrakurzpulslaser an der HSRM ist. Durch Laserbeschuss will er das Basismaterial Silizium so verändern, dass es verbesserte elektronische Eigenschaften erhält – und das durch schnelle und kostensparende Bearbeitungsprozesse.
Erhebliches Anwendungspotenzial
Insgesamt sollen die angestrebten Resultate die Produktion sensitiverer, kompakterer und kostengünstigerer Sensoren ermöglichen und damit ein signifikantes wirtschaftliches Potenzial eröffnen. Mit der Etablierung des Mikro-Nano-Interfacings (MNI) sollen Nanostrukturen an die Makrowelt angebunden werden, um ihre Funktionalität über den Labor- und Prototypenstatus hinaus zu realisieren. „Die MNI-Technologie hat ein erhebliches Anwendungspotenzial in der Gasmessung, konkret: im Bereich Wasserstoff, in der Medizin- und Biotechnologie, in Internet-of-Things-Anwendungen und vielem mehr“, sagt Prof. Dr. Markus Bender. Die Marktchancen seien hoch, die prognostizierten Wachstumsraten lägen geschätzt im zweistelligen Prozentbereich.
Nachhaltiger Transfer zwischen Wissenschaft und Wirtschaft
„Ich freue mich sehr über das gemeinsame Forschungsprojekt in diesem wirtschaftlich und gesellschaftlich äußerst relevanten Feld. Durch die enge Zusammenarbeit mit dem GSI Helmholtzzentrum und der Archigas GmbH wird auch der erfolgreiche Technologietransfer zwischen Hochschule und Industrie weiter gefördert“, sagte Prof. Dr. Eva Waller, Präsidentin der HSRM. Die Kooperation kann dazu dienen, Marktentwicklungen und wirtschaftliche Nutzeffekte zu maximieren: „Der Erfolg des Projekts könnte einen Innovationsschub insbesondere im Bereich der Sensorik und Umwelttechnologien auslösen und neue Märkte für kompakte, sensitive Sensorlösungen erschließen“, so Prof. Dr. Bender. Prof. Dr. Bauer ergänzt: „Generell wird das Projekt zeigen, wie die oft als anwendungsfern angesehene Grundlagenforschung aktuelle Entwicklungen beflügeln und industrielle Bedürfnisse befriedigen kann.“
Das Forschungsprojekt Mikro-Nano-lnterfacing für MEMS-integrierte Sensorik (MINIMISE) wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt im Rahmen des Programms FH-Kooperativ 2-2023 (Förderkennzeichen: 13FH615KX2) mit einem Volumen von 1,65 Millionen Euro gefördert. Die genannten Professoren lehren hauptsächlich im Studiengang Angewandte Physik. Am Projekt werden auch Studierende beteiligt sein und hier „Forschen lernen durch Forschen“.
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[Als Hilfsmittel wurde KI in die Texterstellung einbezogen]