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Die Erfindung betrifft das Wachstum von Nanodrähten auf einer Oberfläche.
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Es ist bekannt, Nanodrähte galvanisch aus einem Elektrolyten auf eine elektrisch leitende Oberfläche zu wachsen. Ein Beispiel ist in der
DE 10 2017 104 906 A1 beschrieben. Dabei wird eine Folie an die zu bewachsende Oberfläche angelegt. Die Folie hat durchgehende Kanäle, die in der
DE 10 2017 104 906 A1 als Poren bezeichnet werden. In die Kanäle können die Nanodrähte gewachsen werden. Anschließend kann die Folie beispielsweise durch Ätzen entfernt werden, um die gewachsenen Nanodrähte freizulegen.
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Die Nanodrähte können insbesondere dazu verwendet werden, Bauteile miteinander zu verbinden. Dazu wird die Oberfläche eines oder beider Bauteile mit Nanodrähten bewachsen. Anschließend werden die Bauteile so zusammengeführt, dass sich die Nanodrähte des einen Bauteils mit der Oberfläche des anderen Bauteils verbinden beziehungsweise dass sich die Nanodrähte der Oberflächen der beiden Bauteile miteinander verbinden.
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Wünschenswert ist es, dass die Nanodrähte auf der Oberfläche gleichmäßig gewachsen werden. Das erfordert, dass der Elektrolyt gleichmäßig über die Folie verteilt wird. Dazu ist gemäß der
DE 10 2017 104 906 A1 ein Schwamm als Mittel zum Bereitstellen des Elektrolyten vorgesehen. Durch den Schwamm kann sich der Elektrolyt über die Folie verteilen.
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Mit dem Schwamm kann die Folie zudem an die Oberfläche gepresst werden. Damit soll verhindert werden, dass Material an ungewünschten Stellen zwischen der zu bewachsenden Oberfläche und der Folie abgeschieden wird. Ohne dieses Anpressen könnte sich Material zwischen der zu bewachsenden Oberfläche und der Folie auch außerhalb des Bereichs ablagern, in dem die Nanodrähte gewachsen werden sollen. Dieser Effekt wird nachfolgend als „Seitenwachstum“ bezeichnet. Soweit das Seitenwachstum unerwünscht ist, kann auch vom „parasitären Seitenwachstum“ gesprochen werden. Das Seitenwachstum kann verhindert werden, indem die Folie ausreichend stark an die zu bewachsende Oberfläche gepresst wird. Dadurch können allerdings Poren des Schwamms verstopfen und/oder Kanäle der Folie verschlossen werden, wodurch die Nanodrähte ungleichmäßig wachsen würden.
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Auch unabhängig von dem Problem des Seitenwachstums ist es wünschenswert, die Folie während des Wachstums der Nanodrähte an die zu bewachsende Oberfläche zu pressen. Dadurch können die Nanodrähte unmittelbar auf die Oberfläche gewachsen werden. Liegt die Folie zu locker an der zu bewachsenden Oberfläche an, lagert sich zu viel Material zwischen der zu bewachsenden Oberfläche und der Folie ab. Das kann dazu führen, dass die Nanodrähte instabil werden. Zudem würde zuerst ein geschlossener Aufdickungsbereich aus dem abgeschiedenen Material entstehen, welcher als Bump bezeichnet werden kann. Ein solcher Bump könnte dazu führen, dass ein unerwünscht großer Spalt zwischen Oberflächen von miteinander zu verbindenden Bauteilen entsteht. Zudem könnte ein solcher Bump dazu führen, dass Bauteile nur mit vergleichsweise großem Abstand zueinander miteinander verbunden werden können. Insbesondere bei vollflächigen Kontakten kann so die geometrische Höhe der Verbindung oder die gesamte Dicke der miteinander verbundenen Bauteile größer sein als gewünscht. Gerade bei geometrisch anspruchsvollen Baugruppen wie Handys, Tablets oder Fernsehern ist dies besonders kritisch.
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Mit der Lösung gemäß
DE 10 2017 104 906 A1 können zwar bereits gute Ergebnisse erzielt werden. Allerdings muss dabei ein Kompromiss gefunden werden zwischen gleichmäßigem Wachstum der Nanodrähte und Anpressen der Folie an die zu bewachsende Oberfläche.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik eine Möglichkeit vorzustellen, Nanodrähte besonders gleichmäßig, mit besonders geringem Seitenwachstum und besonders stabil zu wachsen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren und einer Anordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
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Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten vorgestellt. Die Anordnung umfasst die folgenden Elemente, welche in der angegebenen Reihenfolge angeordnet sind:
- - eine elektrisch leitende Oberfläche,
- - eine Folie mit einer Vielzahl von Kanälen, welche sich von einer ersten Seite der Folie bis zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Folie erstrecken,
- - eine erste elektrolytdurchlässige Schicht,
- - eine zweite elektrolytdurchlässige Schicht, welche kompressibler ist als die erste elektrolytdurchlässige Schicht,
wobei die Anordnung weiterhin eine Elektrode aufweist, und wobei die Anordnung so eingerichtet ist, dass die Nanodrähte durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Elektrode galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle der Folie auf die elektrisch leitende Oberfläche gewachsen werden können.
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Mit der beschriebenen Anordnung kann eine Vielzahl von Nanodrähten auf der elektrisch leitenden Oberfläche erzeugt werden, insbesondere mittels galvanischen Wachstums. Die elektrisch leitende Oberfläche kann Teil eines elektrisch leitenden Körpers sein. Sollen Nanodrähte auf einem elektrisch nicht oder nicht ausreichend leitenden Körper erzeugt werden, kann die Oberfläche des Körpers oder ein Teil davon metallisiert werden, wodurch eine elektrisch leitende Oberfläche erhalten wird.
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Unter einem Nanodraht (engl. „nanowire“) wird hier jeder materielle Körper verstanden, der eine drahtähnliche Form und eine Größe im Bereich von Nanometern hat. Ein Nanodraht kann z.B. eine kreisförmige, ovale oder mehreckige Grundfläche aufweisen. Insbesondere kann ein Nanodraht eine hexagonale Grundfläche aufweisen. Die Nanodrähte sind vorzugsweise aus einem Metall gebildet, beispielsweise aus Kupfer. Vorzugsweise sind alle Nanodrähte aus dem gleichen Material gebildet. Die Nanodrähte stehen vorzugsweise senkrecht auf der Oberfläche. In dem Fall sind die Nanodrähte nach Art eines Rasens angeordnet.
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Bevorzugt weisen die Nanodrähte eine Länge im Bereich von 100 nm [Nanometer] bis 100 µm [Mikrometer], insbesondere im Bereich von 500 nm bis 50 µm auf. Weiterhin weisen die Nanodrähte bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 10.000 nm auf, insbesondere im Bereich von 30 bis 4.000 nm. Dabei bezieht sich der Begriff Durchmesser auf eine kreisförmige Grundfläche, wobei bei einer davon abweichenden Grundfläche eine vergleichbare Definition eines Durchmessers heranzuziehen ist. Es ist besonders bevorzugt, dass alle verwendeten Nanodrähte die gleiche Länge und den gleichen Durchmesser aufweisen.
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Die Nanodrähte können insbesondere dazu verwendet werden, Bauteile miteinander zu verbinden. So können Nanodrähte auf die Kontaktfläche eines ersten Bauteils und auf die Kontaktfläche eines zweiten Bauteils gewachsen werden. Die beiden Kontaktflächen werden jeweils dabei als die elektrisch leitende Oberfläche der beschriebenen Anordnung verwendet. Anschließend können die beiden Bauteile zusammengeführt werden, so dass die Nanodrähte der beiden Kontaktflächen miteinander in Kontakt gelangen. Aufgrund der großen Oberfläche der Nanodrähte entsteht dabei eine mechanisch stabile Verbindung, die bei elektrisch leitenden Nanodrähten auch elektrisch leitend und/oder bei thermisch leitenden Nanodrähten thermisch leitend ist. Die Verbindung kann ohne großen Aufwand ausgebildet werden. Insbesondere sind keine hohen Temperaturen erforderlich, wie diese bei herkömmlichen Verbindungstechnologien der Elektronikindustrie auftreten, beispielsweise beim Löten. Die Verbindung kann dadurch verstärkt werden, dass die Bauteile kurzzeitig mit einem erhöhten Druck zusammengedrückt werden. Alternativ können die Bauteile auch verbunden werden, wenn nur die Kontaktfläche eines ersten der Bauteile mit Nanodrähten bewachsen wird. Werden die Bauteile dann zusammengeführt und erwärmt, beispielsweise auf mindestens 90°C, verbinden sich die Nanodrähte mit der Kontaktfläche des zweiten Bauteils. Bei beiden Verfahrensvarianten kann zusätzlich ein Klebstoff eingesetzt werden, um die Verbindung zu verstärken.
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Die Anordnung umfasst weiterhin eine Folie mit einer Vielzahl von Kanälen, welche sich von einer ersten Seite der Folie bis zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Folie erstrecken. Die Kanäle sind also durchgehend und erstrecken sich durch die Folie hindurch. Die Kanäle sind so angeordnet und ausgebildet, wie die zu wachsenden Nanodrähte. Durch galvanisches Wachstum können die Kanäle mit Material gefüllt werden, wodurch die Nanodrähte erzeugt werden können.
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Nach dem Wachstum der Nanodrähte kann die Folie entfernt werden, beispielsweise durch Ätzen. So können die Nanodrähte freigelegt werden und beispielsweise zur Verbindung von Bauteilen verwendet werden.
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Weiterhin umfasst die Anordnung eine erste elektrolytdurchlässige Schicht und eine zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Die beiden elektrolytdurchlässigen Schichten dienen gemeinsam dazu, den Elektrolyten gleichmäßig über die Folie zu verteilen, um ein gleichmäßiges Wachstum der Nanodrähte zu erreichen. Zudem kann die Folie über die beiden elektrolytdurchlässigen Schichten an die elektrisch leitende Oberfläche gepresst werden, um das Seitenwachstum einzuschränken und zu verhindern, dass zu viel Material zwischen der Folie und der elektrisch leitenden Oberfläche abgeschieden wird. Durch die Unterteilung in eine erste elektrolytdurchlässige Schicht und eine zweite, kompressiblere elektrolytdurchlässige Schicht können diese Vorteile zugleich in besonderem Maße erzielt werden. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht ist weniger kompressibel als die zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Wird also eine Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche ausgeübt, wird insbesondere die zweite elektrolytdurchlässige Schicht zusammengedrückt. Über die erste elektrolytdurchlässige Schicht wird dabei die Folie an die elektrisch leitende Oberfläche und/oder an eine Lithografieschicht gedrückt. Dadurch wird verhindert, dass zu viel Material zwischen der Folie und der elektrisch leitenden Oberfläche abgelagert wird. Seitenwachstum wird so eingeschränkt. Wird die zweite elektrolytdurchlässige Schicht zusammengedrückt, ist es möglich, dass der Elektrolyt von der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht nicht gleichmäßig an die erste elektrolytdurchlässige Schicht abgegeben wird. Da die erste elektrolytdurchlässige Schicht aber weniger kompressibel ist als die zweie elektrolytdurchlässige Schicht, wird die erste elektrolytdurchlässige Schicht weniger stark zusammengedrückt als die zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Die Poren der ersten elektrolytdurchlässige Schicht bleiben daher eher geöffnet als die Poren der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht. Die möglicherweise ungleichmäßige Abgabe des Elektrolyten von der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an die erste elektrolytdurchlässige Schicht kann dadurch kompensiert werden, so dass der Elektrolyt gleichmäßig von der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht an die Folie abgegeben werden kann und die Nanodrähte gleichmäßig in den Kanälen der Folie gewachsen werden können. Die beschriebene Anordnung weist zwei elektrolytdurchlässige Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften auf. Die Anordnung kann auch mehr als zwei elektrolytdurchlässige Schichten aufweisen. Das ermöglicht eine noch feinere funktionale Aufteilung auf die einzelnen elektrolytdurchlässigen Schichten. Die beschriebenen Vorteile lassen sich dadurch umso mehr erzielen.
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Durch die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht kann die Folie an die elektrisch leitende Oberfläche angepresst werden. Durch das Anpressen kann der Elektrolyt von der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an die erste elektrolytdurchlässige Schicht abgegeben werden und von der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht an die Folie. Wäre nur eine einzige elektrolytdurchlässige Schicht vorhanden, könnte diese entweder so kompressibel sein, dass mit dieser der Elektrolyt durch Anpressen abgegeben werden könnte. Dabei könnte die elektrolytdurchlässige Schicht als Federsystem lokale Unebenheiten auf der zu bewachsenden Oberfläche und/oder auf der Folie ausgleichen und dafür sorgen, dass über die gesamte zu bewachsende Oberfläche die Folie gleichmäßig an die zu bewachsende Oberfläche angedrückt wird. Damit wird aber die elektrolytdurchlässige Schicht mit zunehmender Anpresskraft immer dichter, so dass auch innerhalb der elektrolytdurchlässigen Schicht Zonen entstehen, die nur noch schlecht für den Elektrolyten durchlässig sind. Dadurch kann es während des Wachstums der Nanodrähte zu lokalen Verarmungen des Elektrolyten kommen. Dies wiederum kann dazu führen, dass die Nanodrähte ungleichmäßig wachsen. Zudem können die Poren der elektrolytdurchlässigen Schicht sogar verstopfen und/oder Kanäle der Folie verschlossen werden.
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Alternativ könnte die elektrolytdurchlässige Schicht so wenig kompressibel sein, dass die zuvor beschriebenen Nachteile nicht auftreten. In dem Fall könnte die Mikroporosität der elektrolytdurchlässigen Schicht auch bei zunehmender Anpresskraft konstant bleiben. Damit könnte über einen großen Bereich der Anpresskraft eine gute Durchmischung des Elektrolyten in der elektrolytdurchlässigen Schicht erzielt werden. Der Nachteil eine inkompressiblen elektrolytdurchlässigen Schicht ist allerdings, dass es die Unebenheiten der zu bewachsenden Oberfläche und/oder der Folie nicht ausreichend kompensiere kann. So kann es zu Zonen auf der zu bewachsenden Oberfläche kommen, in denen die Folie sehr dicht an die zu bewachsende Oberfläche angepresst wird und zu Zonen, in denen noch ein Spalt zwischen der Oberfläche und der Folie verbleibt.
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Bei der beschriebenen Anordnung können die zuvor beschriebenen Nachteile umgangen werden. Durch die Kombination zweier elektrolytdurchlässiger Schichten kann einerseits eine Federwirkung erzielt werden, um Unebenheiten auszugleichen. Andererseits kann auch bei großer Anpresskraft ein Verstopfen der Kanäle der Folie verhindert werden und eine gute Vermischung des Elektrolyten aufrechterhalten werden. Das ist möglich, weil der Elektrolyt zunächst grob mit der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht verteilt werden kann und durch Pressen von dieser an die erste elektrolytdurchlässige Schicht abgegeben werden kann. In der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht ist nur noch eine feine Verteilung erforderlich. Daher kann die erste elektrolytdurchlässige Schicht so ausgebildet sein, dass diese auch trotz geringer Kompressibilität den Elektrolyten gut abgeben kann. Bei der weniger kompressiblen ersten elektrolytdurchlässigen Schicht können die Poren leichter offengehalten werden.
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Die erste elektrolytdurchlässige Schicht hat vorzugsweise eine vernachlässigbare Kompressibilität. Sie kann daher auch als inkompressibel bezeichnet werden. Darunter soll hier verstanden werden, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht bei den üblicherweise im Betrieb der Anordnung auftretenden Kräften nicht signifikant komprimiert wird.
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Die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht sind für den Elektrolyten durchlässig. Das ist nicht auf eine bestimmte Richtung beschränkt. Insbesondere kann der Elektrolyt nicht nur in einer Richtung senkrecht zur elektrisch leitenden Oberfläche durch die elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht hindurchtreten, sondern sich auch parallel zur elektrisch leitenden Oberfläche innerhalb der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht beziehungsweise innerhalb der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht ausbreiten. So kann sich der Elektrolyt mittels der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht parallel zur elektrisch leitenden Oberfläche verteilen. Dies ermöglicht ein besonders gleichmäßiges Wachstum der Nanodrähte. Dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht vorzugsweise porös sind, kann auch dadurch beschrieben werden, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht eine in sich offene Struktur haben.
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Die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht sind vorzugsweise porös ausgebildet. Es kann in dem Fall auch von einer ersten porösen Schicht und von einer zweiten porösen Schicht gesprochen werden. Porös bedeutet dabei, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht porig und insoweit für den Elektrolyten durchlässig sind.
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Die erste elektrolytdurchlässige Schicht und/oder die zweite elektrolytdurchlässige Schicht können als ein jeweiliges Gewebe ausgebildet sein.
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Die Folie ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Folie nur in einer Richtung senkrecht zur Folie für den Elektrolyten durchlässig ist. Der Elektrolyt kann sich also nicht parallel zu der elektrisch leitenden Oberfläche durch die Folie ausbreiten. Insbesondere dadurch unterscheidet sich die Folie von der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und von der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht. Die Folie ist also nicht porös im hier verwendeten Sinne dieses Begriffs. Um dies hervorzuheben, werden die Kanäle der Folie hier auch nicht als Poren bezeichnet. Die Kanäle der Folie sind vorzugsweise jeweils abzweiglos. Die Kanäle sind vorzugsweise voneinander getrennt. Die Kanäle bilden also kein Netzwerk aus miteinander verzweigten oder verbundenen Kanälen.
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Die Anordnung weist weiterhin eine Elektrode auf. Vorzugsweise weist die Anordnung weiterhin eine Spannungsquelle auf, welche einerseits mit der elektrisch leitenden Oberfläche und andererseits mit der Elektrode verbunden ist. Mit der Spannungsquelle kann eine elektrische Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Elektrode angelegt werden, um die Nanodrähte zu wachsen.
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Die Elemente der Anordnung sind in folgender Reihenfolge angeordnet: die elektrisch leitende Oberfläche, die Folie, die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Die Elektrode folgt in dieser Reihenfolge vorzugsweise auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht.
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Die Elektrode liegt vorzugsweise an der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an. Denkbar ist aber beispielsweise auch, dass eine Zwischenschicht zwischen der Elektrode und der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht vorgesehen ist, beispielsweise in Form einer weiteren elektrolytdurchlässigen Schicht. Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht liegt vorzugsweise an der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht an. Denkbar ist aber beispielsweise auch, dass eine Zwischenschicht zwischen der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht und der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht vorgesehen ist, beispielsweise in Form einer weiteren elektrolytdurchlässigen Schicht. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht liegt vorzugsweise an der Folie an. Denkbar ist aber beispielsweise auch, dass eine Zwischenschicht zwischen der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und der Folie vorgesehen ist, beispielsweise in Form einer weiteren elektrolytdurchlässigen Schicht. Anliegen bedeutet in allen Fällen, dass es einen unmittelbaren Kontakt zwischen den jeweiligen Elementen gibt.
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Die Folie kann an der elektrisch leitenden Oberfläche anliegen. Das ist aber nicht erforderlich. Das gilt insbesondere in dem Fall, dass die elektrisch leitende Oberfläche in einer Ausnehmung einer Lithografieschicht ausgebildet ist. In dem Fall liegt die Folie vorzugsweise an der Lithografieschicht an. Je nach Ausgestaltung der Lithografieschicht und der elektrisch leitenden Oberfläche kann es dabei sein, dass zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Folie ein Freiraum ausgebildet ist. Beim Wachstum der Nanodrähte wird dieser Freiraum mit dem Material der Nanodrähte gefüllt. Erst anschließend werden die Kanäle der Folie mit dem Material gefüllt.
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Die elektrisch leitende Oberfläche, die Folie, die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht bilden vorzugsweise einen Schichtaufbau. Die Richtung senkrecht zur elektrisch leitenden Oberfläche kann als eine Stapelrichtung bezeichnet werden. Die Folie, die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht sind vorzugsweise jeweils senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet. Das gilt insbesondere für den bevorzugten Fall, dass die Folie nach Art einer Schicht ausgebildet ist. Vorzugsweise ist auch die Elektrode Teil des Schichtaufbaus. Vorzugsweise ist auch die Elektrode als eine Schicht ausgebildet und insbesondere auch senkrecht zur Stapelrichtung ausgebildet.
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Die Anordnung ist so eingerichtet, dass die Nanodrähte durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Elektrode galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle der Folie auf die elektrisch leitende Oberfläche gewachsen werden können. Die Nanodrähte können gewachsen werden, indem ein Elektrolyt bereitgestellt wird. Bei dem Elektrolyten handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, aus der das Material der Nanodrähte galvanisch abgeschieden werden kann. Der Elektrolyt ist während des Wachstums der Nanodrähte so angeordnet, dass sowohl die Elektrode als auch die elektrisch leitende Oberfläche mit dem Elektrolyten in Kontakt stehen und über diesen miteinander verbunden sind. Das ist insbesondere dadurch möglich, dass die Kanäle der Folie, Poren der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und Poren der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht mit dem Elektrolyten befüllt sind. Beispielsweise kann der Elektrolyt in die zweite elektrolytdurchlässige Schicht eingeleitet werden und sich durch die zweite elektrolytdurchlässige Schicht und die erste elektrolytdurchlässige Schicht auf die Kanäle der Folie verteilen. Beispielsweise kann die Anordnung auch eine Kammer für den Elektrolyten aufweisen. Während des Wachstums der Nanodrähte ist die Kammer mit Elektrolyt befüllt.
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Mit der beschriebenen Anordnung kann ein Substrat großflächig mit Nanodrähten versehen werden. Die beschriebene Anordnung ist aber auch besonders gut dazu geeignet, Nanodrähte auf ein strukturiertes Substrat zu wachsen. Beispielsweise kann die Oberfläche eines Substrats mit lithografischen Mitteln so strukturiert werden, dass die Nanodrähte nur in Ausnehmungen einer Lithografieschicht gewachsen werden. Da das Seitenwachstum mit der beschriebenen Anordnung besonders stark beschränkt werden kann, können Bereiche mit Nanodrähten besonders nah beieinander liegen, ohne dass es zu einem elektrischen Kontakt zwischen den benachbarten Bereichen mit Nanodrähten kommt. Beispielsweise können elektrisch leitende Pads, welche einen geringen Abstand zueinander haben und elektrisch voneinander isoliert sind, mit Nanodrähten bewachsen werden, ohne dass Seitenwachstum zu einem Kurzschluss zwischen den elektrisch leitenden Pads führen würde. So kann die beschriebene Anordnung verwendet werden, Nanodrähte für den Zweck zu wachsen, Bauteile mit einer Vielzahl von elektrischen Kontakten miteinander zu verbinden. Über die mit Nanodrähten bewachsenen elektrisch leitenden Pads kann so eine Vielzahl von voneinander getrennten elektrisch leitenden Verbindungen zwischen zwei Bauteilen ausgebildet werden, welche zugleich die Bauteile fest mechanisch und/oder thermisch leitend miteinander verbinden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung sind die erste elektrolytdurchlässige Schicht und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht porös ausgebildet, wobei die zweite elektrolytdurchlässige Schicht eine größere mittlere Porengröße hat als die erste elektrolytdurchlässige Schicht.
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In dieser Ausführungsform ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht grobporiger als die erste elektrolytdurchlässige Schicht. Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht hat also eine vergleichsweise große mittlere Porengröße. Dadurch ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht gut durchlässig für den Elektrolyten, so dass sich der Elektrolyt insbesondere gut verteilen kann. Würde die zweite elektrolytdurchlässige Schicht direkt an der Folie anliegen, wäre die große Porengröße aber nachteilig. Beim Anpressen der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an die Folie könnten einige der Kanäle der Folie von Material der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht verschlossen werden. Um dies zu verhindern, ist die erste elektrolytdurchlässige Schicht vorgesehen. Deren Poren sind kleiner, so dass die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass jeder der Kanäle jedenfalls über eine der Poren der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht mit Elektrolyt versorgt werden kann. Dazu trägt auch bei, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht weniger kompressibel ist als die zweite elektrolytdurchlässige Schicht. Dadurch bleiben die Poren der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht auch bei vergleichsweise großer Presskraft noch geöffnet.
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Die erste elektrolytdurchlässige Schicht weist an ihrer Oberfläche im unkomprimierten Zustand vorzugsweise so viele Porenöffnungen auf, dass auf der Oberfläche der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht in einer Fläche von der Größe der Querschnittsfläche eines Kanals der Folie im Mittel mehrere Porenöffnungen vorhanden sind. So kann jeder Kanal über mehrere Porenöffnungen mit Elektrolyt versorgt werden.
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Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht hat vorzugsweise eine um einen Faktor von 1 bis 20 größere mittlere Porengröße als die erste elektrolytdurchlässige Schicht. Vorzugsweise hat die zweite elektrolytdurchlässige Schicht eine um einen Faktor von 1 bis 20 größere Anzahl an Poren als die erste elektrolytdurchlässige Schicht.
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Die Poren der zweiten elektrolytdurchlässige Schicht haben vorzugsweise eine Ausdehnung im Bereich von 30 bis 400 nm, insbesondere im Bereich von 100 bis 220 nm.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht in einer Richtung senkrecht zu der elektrisch leitenden Oberfläche in einem unkomprimierten Zustand größer ausgedehnt als die erste elektrolytdurchlässige Schicht.
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In Stapelrichtung hat die unkomprimierte zweite elektrolytdurchlässige Schicht also eine größere Ausdehnung als die unkomprimierte erste elektrolytdurchlässige Schicht. Das kann auch dadurch beschrieben werden, dass die zweite elektrolytdurchlässige Schicht dicker ist als die erste elektrolytdurchlässige Schicht, wenn beide nicht komprimiert sind. Vorzugsweise ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht in der Richtung senkrecht zu der elektrisch leitenden Oberfläche im unkomprimierten Zustand um einen Faktor 2 bis 20 größer ausgedehnt als die erste elektrolytdurchlässige Schicht.
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Es hat sich herausgestellt, dass die beschriebene Aufteilung zwischen der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht und der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht die besten Ergebnisse ergibt im Bezug auf die Gleichmäßigkeit des Wachstums der Nanodrähte und auf die Begrenzung des Seitenwachstums. Dadurch, dass die zweite elektrolytdurchlässige Schicht vergleichsweise groß ist, kann sie ausreichend komprimiert werden. Die weniger kompressible erste elektrolytdurchlässige Schicht muss nicht größer sein, um ihre Aufgabe zu erfüllen. Das liegt insbesondere daran, dass in der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht nur noch eine feine Verteilung des Elektrolyten erfolgen muss.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist die erste elektrolytdurchlässige Schicht mit Zellulose gebildet.
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Es hat sich herausgestellt, dass Zellulose ein besonders gut geeignetes Material für die erste elektrolytdurchlässige Schicht ist. Daher ist es bevorzugt, dass die erste elektrolytdurchlässige Schicht ausschließlich aus Zellulose gebildet ist. Die beschriebenen Vorteile lassen sich aber bereits erreichen, wenn die erste elektrolytdurchlässige Schicht einen Anteil Zellulose hat. Vorzugsweise ist die erste elektrolytdurchlässige Schicht zu mindestens 50 % aus Zellulose gebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist die zweite elektrolytdurchlässige Schicht ein Schwamm.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Anordnung weiterhin eine Presseinrichtung zur Erzeugung einer Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche auf.
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Die Presseinrichtung umfasst vorzugsweise einen Stempel. Mit der Presseinrichtung können die Schichten des beschriebenen Schichtaufbaus zusammengedrückt werden. So kann insbesondere die Folie an die elektrisch leitende Oberfläche und/oder beispielsweise an eine Lithografieschicht gepresst werden. Dadurch kann das Seitenwachstum verhindert werden. Liegt die Elektrode an der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht an, greift der Stempel vorzugsweise an der Elektrode an. Die Elektrode kann Teil des Stempels sein.
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Alternativ zu einer Presseinrichtung könnte die zweite elektrolytdurchlässige Schicht beispielsweise auch per Hand in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche gedrückt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Anordnung weiterhin ein Substrat mit einer Lithografieschicht auf, wobei die Lithografieschicht eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist, und wobei die elektrisch leitende Oberfläche in der einen oder den mehreren Ausnehmungen ausgebildet ist.
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Die Lithografieschicht liegt vorzugsweise an dem Substrat an. Die Folie liegt vorzugsweise an der Lithografieschicht an. In der einen oder den mehreren Ausnehmungen der Lithografieschicht ist die elektrisch leitende Oberfläche ausgebildet, auf die die Nanodrähte gewachsen werden. Das Substrat ist vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, beispielsweise aus Silizium. Das Substrat kann als ein Wafer ausgebildet sein. Um eine elektrisch leitende Oberfläche zu erhalten, kann das Substrat in der einen oder den mehreren Ausnehmungen der Lithografieschicht metallisiert werden. So kann das Wachstum der Nanodrähte lokal begrenzt werden. Falls das Substrat selbst bereits elektrisch leitend ist, kann die Oberfläche des Substrats in der einen oder den mehreren Ausnehmungen der Lithografieschicht selbst als die elektrisch leitende Oberfläche betrachtet werden, auf die die Nanodrähte gewachsen werden. Die Lithografieschicht hat vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zu der elektrische leitenden Oberfläche eine Ausdehnung im Bereich von 0,1 bis 10 µm [Mikrometer].
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Zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Folie kann insbesondere in dieser Ausführungsform ein Freiraum gebildet sein. Dieser wird beim Wachstum der Nanodrähte mit dem Material gefüllt, aus dem anschließend auch die Nanodrähte in den Kanälen der Folie gewachsen werden.
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Vorzugsweise weist die Lithografieschicht eine Vielzahl von Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise regelmäßig angeordnet. In dem Fall liegt ein Pitch vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10 µm [Mikrometer]. Unter Pitch ist dabei der Mittenabstand benachbarter Ausnehmungen zu verstehen.
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Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten mit einer wie beschrieben ausgebildeten Anordnung vorgestellt, wobei die Nanodrähte durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Elektrode galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle der Folie auf die elektrisch leitende Oberfläche gewachsen werden.
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Die beschriebenen Vorteile und Merkmale der Anordnung sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die Anordnung ist vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem Verfahren eingerichtet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die zweite elektrolytdurchlässige Schicht zumindest zeitweise in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche gedrückt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung nicht begrenzt ist. Die Figur und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigt:
- 1: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten.
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1 zeigt eine Anordnung 1 zur Erzeugung einer Vielzahl von Nanodrähten 2. Die Anordnung 1 umfasst ein Substrat 12 mit einer Lithografieschicht 13. Die Lithografieschicht 13 hat eine Ausnehmung 14, in welcher eine Metallisierungsschicht 15 ausgebildet ist. Durch die Lithografieschicht 13 ist die Metallisierungsschicht 15 auf die Ausnehmung 14 begrenzt und erstreckt sich nicht über das gesamte Substrat 12. Die in 1 oberer Seite der Metallisierungsschicht 15 bildet eine elektrisch leitende Oberfläche, welche mit Bezugszeichen 3 versehen ist. Auf diese elektrisch leitende Oberfläche 3 können die Nanodrähte 2 gewachsen werden. Durch die Lithografieschicht 13 wird das Wachstum der Nanodrähte 2 auf den Bereich der Ausnehmung 14 begrenzt.
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Die Anordnung 1 weist weiterhin eine Folie 4 mit einer Vielzahl von Kanälen 5 auf. Die Kanäle 5 erstrecken sich von einer ersten Seite 6 der Folie 4 bis zu einer der ersten Seite 6 gegenüberliegenden zweiten Seite 7 der Folie 4. Die Folie 4 liegt an der Lithografieschicht 13 an. In der Ausnehmung 14 könnte die Folie 4 an der Metallisierungsschicht 15 anliegen. Das ist aber nicht erforderlich. Im Beispiel der 1 ist die Folie 4 daher mit Abstand von der Metallisierungsschicht 15 gezeigt. Dieser ist zur Veranschaulichung in der schematischen Darstellung vergleichsweise groß. In der Realität ist es möglich, dass die Folie 4 und die Metallisierungsschicht 15 zwar grundsätzlich aneinander anliegen, dies allerdings nicht sehr dicht, so dass es beim Wachstum der Nanodrähte 2 zwischen der Folie 4 und der Metallisierungsschicht 15 jedenfalls lokal zu galvanischer Abscheidung von Material zwischen der Folie 4 und der elektrisch leitenden Oberfläche 3 kommen kann.
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Die Anordnung 1 umfasst weiterhin eine erste elektrolytdurchlässige Schicht 8, welche an der Folie 4 anliegt und eine zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9, welche an der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht 8 anliegt. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 sind porös ausgebildet.
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Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 ist kompressibler als die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8, hat eine größere mittlere Porengröße als die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 und ist in einer Richtung senkrecht zu der elektrisch leitenden Oberfläche größer ausgedehnt als die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8. Die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 ist aus Zellulose gebildet. Die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 ist ein Schwamm.
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Weiterhin weist die Anordnung 1 eine Elektrode 10 auf, welche an der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht 9 anliegt. Zudem weist die Anordnung 1 einen Stempel als eine Presseinrichtung 11 zur Erzeugung einer Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche 3 auf. In der gezeigten Ausführungsform liegt die Presseinrichtung 11 an der Elektrode 10 an und kann über diese eine Kraft auf die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 in Richtung auf die elektrisch leitende Oberfläche 3 ausüben. Durch diese Kraft werden die Folie 4, die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 und die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 zwischen der Lithografieschicht 13 beziehungsweise der elektrisch leitenden Oberfläche 3 und der Elektrode 10 zusammengedrückt.
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Die Anordnung 1 ist so eingerichtet, dass die Nanodrähte 2 durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche 3 und der Elektrode 10 galvanisch aus einem Elektrolyten in die Kanäle 5 der Folie 4 auf die elektrisch leitende Oberfläche 3 gewachsen werden können. Das ist möglich, indem die Elektrode 10 und die elektrisch leitende Oberfläche 3 so mit dem Elektrolyten in Kontakt gebracht werden, dass die Elektrode 10 und die elektrisch leitende Oberfläche 3 über den Elektrolyten miteinander verbunden werden. Insbesondere können dazu die Kanäle 5 der Folie 4, Poren der ersten elektrolytdurchlässigen Schicht 8 und Poren der zweiten elektrolytdurchlässigen Schicht 9 mit dem Elektrolyten befüllt werden. Im Bereich der Ausnehmung 14 kommt es dann zu einer galvanischen Abscheidung von Material aus dem Elektrolyten auf die elektrisch leitende Oberfläche 3. Soweit es wie gezeigt einen Abstand zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche 3 und der Folie 4 gibt, bildet sich zunächst eine Füllung 16. Anschließend werden die Kanäle 5 der Folie 4 mit abgeschiedenem Material gefüllt. Dieses Material stellt die Nanodrähte 2 dar.
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Nach dem Wachstum der Nanodrähte 2 können die Presseinrichtung 11, die Elektrode 10, die zweite elektrolytdurchlässige Schicht 9 und die erste elektrolytdurchlässige Schicht 8 entfernt werden. Die Folie 4 kann beispielsweise durch Ätzen aufgelöst werden, um die Nanodrähte 2 freizulegen. Die Lithografieschicht 13 kann ebenfalls chemisch entfernt werden. Im Ergebnis verbleiben die Nanodrähte 2 auf einem elektrisch leitenden Pad auf dem Substrat 12. Das elektrisch leitenden Pad ist durch die Metallisierungsschicht 15 und die Füllung 16 gebildet.
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Das Projekt, welches zu dieser Anmeldung geführt hat, hat eine Förderung aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizon 2020“ der Europäischen Union unter Fördervertrag Nummer 830061 erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Nanodrähte
- 3
- elektrisch leitende Oberfläche
- 4
- Folie
- 5
- Kanäle
- 6
- erste Seite der Folie
- 7
- zweite Seite der Folie
- 8
- erste elektrolytdurchlässige Schicht
- 9
- zweites elektrolytdurchlässige Schicht
- 10
- Elektrode
- 11
- Presseinrichtung
- 12
- Substrat
- 13
- Lithografieschicht
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Metallisierungsschicht
- 16
- Füllung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017104906 A1 [0002, 0004, 0007]
