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Materialwissenschaft: Elastische Elektronik aus harten Halbleitern

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Bei der Entwicklung von flexiblen Schaltkreisen für technische und medizinische Anwendungen haben Forscher in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, doch die Entwicklung konzentrierte sich fast ausschließlich auf die weniger ausgereifte und oft ineffektive organische Elektronik. Aus gutem Grund, denn anorganische Halbleiter sind hart und spröde. Jetzt demonstriert ein internationales Wissenschaftlerteam um John Rogers von der University of Illinois, wie man durch Miniaturisieren und geschickte Fertigungstechnik diese Einschränkungen umgehen kann. Sie präsentierten jetzt flexible Anordnungen aus anorganischen Leuchtdioden und Lichtsensoren, die sie mit einem einfachen Verfahren auf verschiedene Oberflächen aufbrachten.

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Leuchtendes Implantat | Die flexiblen Leuchtdioden halten auch den Bedingungen im Körper einer Maus stand.
Die Halbleiterbauteile, jedes von ihnen lediglich 100 mal 100 Mikrometer groß und hauchdünn, konstruierten die Wissenschaftler mit klassischen Methoden der Schaltkreisproduktion auf einem Galliumarsenid-Halbleiterchip, bevor sie selektiv eine unterliegende Trennschicht auflösten und ein Stempel die Bauteile auf ein Kunststoffsubstrat überführte. Dort fügten die Konstrukteure die mechanischen und leitenden Verbindungen hinzu – die Stege zwischen den Leuchtdioden sind lang und gewunden, so dass sie Verformungskräfte aufnehmen können, ohne zu brechen. Anschließend zersetzte ein Lösungsmittel den Kunststoff, und ein weiterer Stempel übertrug das Gitter aus Leuchtdioden auf das endgültige Substrat, zum Beispiel eine dünne Folie aus dem flexiblen Kunststoff Polydimethylsiloxan (PDMS).

Diese Leuchtfolie lässt – bis zu einer gewissen Grenze – praktisch alles mit sich machen, ohne dass die Leuchtdioden erlöschen: Die Forscher dehnten sie um die Hälfte, verdrehten sie und spannten sie über eine Bleistiftspitze; die Stege zwischen den einzelnen Bauteilen nehmen den Verformungsstress auf, ohne dass das Gesamtsystem beschädigt wird. Die attraktivste Eigenschaft des Systems ist allerdings, dass die vorgefertigten Bauteile sich nach Angaben der Forscher ohne zusätzlichen Aufwand auf eine beliebige mit PDMS beschichtete Oberfläche transferieren lassen. So platzierten sie das System auf Papier, Aluminiumfolie, der Fingerkuppe eines Handschuhs und sogar auf einen medizinischen Ballonkatheter.

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Leuchtender Faden | Mit diesem weniger als einen halben Millimeter dünnen Silikonfaden kann man auch im Dunkeln nähen.
Die Forscher betonen, dass es sich bei ihrer Entwicklung nicht nur um eine bloße technische Spielerei handelt, und demonstrieren in ihrer Publikation mehrere potenzielle Anwendungen. In einen Schlauch eingebaut funktioniert ein System aus Dioden und Fotodetektoren als Sensor, und einen schmalen Silikonstreifen mit eingebetteten Leuchtdioden verwendeten die Forscher, um im Tierversuch eine Wunde mit mehreren Stichen zu nähen. Dass derartige Arrays ohne Weiteres biokompatibel sind, bewiesen sie außerdem, indem sie ein leuchtendes Fünf-mal-fünf-Gitter einem Versuchstier unter die Haut pflanzten. Derartige Implantate, schlagen sie vor, könnten dereinst in medizinischen Anwendungen zum Einsatz kommen – und wahrscheinlich als ausgefallener Körperschmuck. (lf)

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  • Quellen
Roberts, J. et al.: Waterproof AlInGaP optoelectronics on stretchable substrates with applications in biomedicine and robotics. In: Nature Materials 10.1038/nmat2879, 2010.

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