Casimir-Effekt, MEMS und 3D-Selbstassemblierung

Da die Welt der Technologie immer weiter in den Nanobereich schrumpft, werden Quantenphänomene wie der Casimir-Effekt- die früher als rein theoretisch galten - zu wesentlichen Kräften bei der Entwicklung und dem Betrieb von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). MEMS-Geräte, die mechanische Elemente mit Elektronik auf mikroskopischer Ebene verbinden, revolutionieren die Industrie, von biomedizinischen Geräten bis hin zu Robotik und Telekommunikation. Da diese Systeme jedoch immer kleiner und präziser werden, beginnen die Quantenfluktuationen, die den Casimir-Effekt erzeugen, eine wichtige Rolle zu spielen.

Der Casimir-Effekt, der durch Vakuumfluktuationen zwischen eng beieinander liegenden Objekten entsteht, erzeugt eine Anziehungskraft, die die Leistung von MEMS-Komponenten beeinflussen kann. Diese Kraft kann zu Haftreibungführen, d. h. zu unbeabsichtigtem Anhaften von Teilen, oder sie kann umgekehrt so gestaltet werden, dass sie die Selbstorganisation in komplexen Nanostrukturen erleichtert. Das Verständnis und die Manipulation dieser Kräfte bieten neue Möglichkeiten für die 3D-Selbstmontage und ermöglichen die Schaffung komplizierter Architekturen im Nanomaßstab, die die Zukunft der Nano- und Mikrofabrikation neu definieren könnten, wie z. B. die gepaarten Mikrofilter- Yin-Yang-Strukturen -, die hier am INA entwickelt und untersucht werden.

Durch die Integration von Erkenntnissen aus der Quantenmechanik mit modernster MEMS-Technologie leisten wir Pionierarbeit bei der Erforschung der Frage, wie der Casimir-Effekt genutzt werden kann, um Herausforderungen in der Mikrotechnik zu bewältigen und die Grenzen des Möglichen in der Mikro- und Nanotechnologie zu erweitern.

B. Elsaka, P. Kästner, Y. Hamarneh, E. Käkel, R. Donatiello and H. Hillmer, "Casimir Forces leading to 3D self-assembled paired metallic microshutters," 2024 International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics (OMN), San Sebastian, Spain, 2024, pp. 1-2. doi.org/10.1109/OMN61224.2024.10685251

Elsaka, B.; Yang, X.; Kästner, P.; Dingel, K.; Sick, B.; Lehmann, P.; Buhmann, S.Y.; Hillmer, H. Casimir Effect in MEMS: Materials, Geometries, and Metrologies—A Review. Materials 2024, 17, 3393. doi.org/10.3390/ma17143393

Elsaka, B.; Kästner, P.; Käkel, E.; Donatiello, R.; Hillmer, H. Investigation of the Influence of Sublayer Thickness on Pairing of Metallic MEMS Shutter Blades. Appl. Sci. 2023, 13, 1538. doi.org/10.3390/app13031538

Kästner, P.; Käkel, E.; Akhundzada, S.; Donatiello, R.; Hillmer, H. Development of self-assembled 3D MEMS Paired Shutter Arrays for studies on Casimir forces. In Proceedings of the Technical Digest MOC, Jena, Germany, 25–28 September 2022; Volime 1054, pp. 74–75.

Akhundzada, S.; Yang, X.; Fiedler, J.; Käkel, E.; Al-Qargholi, B.; Buhmann, S.; Ehresmann, A.; Hillmer, H. A novel approach to construct self-assembled 3D MEMS arrays. Microsyst. Technol. 2022, 28, 2139–2148. doi.org/10.1007/s00542-022-05361-1