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Materialien und Oberflächen

Plasmen sind heute ein unentbehrliches Arbeitsmittel in der Dünnschichttechnologie. Sie verleihen Oberflächen neue Eigenschaften und erlauben die Synthese nanoskaliger Materialien. Plasma-und ionengestützte Oberflächenverfahren spannen das Spektrum vom strukturierten Materialabtrag, wie beim Ätzen oder der Feinreinigung, über die Einstellung der Grenzflächeneigenschaften z.B. zur Steuerung der Verklebbarkeit oder Bedruckbarkeit bis hin zur Herstellung von Funktionsschichten mit Anwendungen zum Schutz vor Korrosion, Wärme oder mechanischem Abrieb sowie zur Vergütung von Optiken.

Die Synthese von nanostrukturierten Materialien oder Nanopartikeln mittels Plasmaverfahren eröffnet Perspektiven im Bereich der Speicherung und Wandlung erneuerbarer Energie, wie z.B. Komponenten für die Elektrokatalyse (Batterie- und Brennstoffzellentechnik) oder die Wasserstofftechnologie. Die vielfältigen Anwendungen begründen sich durch eine Reihe von prozesstechnischen Vorteilen von Plasmaverfahren, wie eine niedrige thermische Belastung der Bauteile, vergleichsweise Umweltfreundlichkeit, präzise Steuerbarkeit sowie eine äußerst geringe Beeinflussung der Grundmaterialeigenschaften.

Im Forschungsschwerpunkt werden innovative Plasmaprozesse erforscht, technische Plasmen angewandt, experimentell charakterisiert, simuliert und im Zusammenhang mit den Schicht- und Oberflächeneigenschaften betrachtet. Die Kenntnis der im Plasma ablaufenden Vorgänge führt schließlich zu besser steuerbaren Fertigungsprozessen und damit zu überlegenen Produkten.

Mehr Informationen finden Sie unter Plasmaoberflächentechnik, Plasmaprozesstechnik, Plasmamodellierung.


Anwendungsfelder

Bei der Herstellung wesentlicher Komponenten und Materialien für die Energiespeicherung/-wandlung, wie z.B. die Synthese von katalytischen Oberflächen in den Wasserstofftechnologien oder für Batterien und ebenso in angrenzenden Gebieten, wie der Sensortechnik, der chemischen Synthese und bei Wasser- bzw. Gasreinigungs- und Aufbereitungsprozessen können Plasmaprozesse zur Anwendung kommen.

Die Expertise im Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf plasmagestützten Synthesemethoden für die Abscheidung von nanodimensionalen metallischen, metalloxidischen und graphitischen Partikeln und Dünnschichten und deren Charakterisierung. Als Plasmaverfahren kommen dabei die PVD (Physical Vapour Deposition), z.B. Magnetron Sputtern und Plasma-Ionen gestützte Deposition, die Plasmapyrolyse und PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) sowie Kombinationen dieser Methoden zu komplexeren Hybridverfahren zum Einsatz. Neben diesen vakuumbasierten Methoden werden auch atmosphärische Plasmaprozesse in Flüssigkeiten für die Erzeugung von Kohlenstoffnanostrukturen sowie metalloxidischen und metallischen Nanopartikeln eingesetzt. Eine Anzahl von anwendungsnahen Projekten wird gegenwärtig z.B. in der Entwicklung von Synthesemethoden für Platin- und Nickel-basierte Katalysatoren, Graphen-und Metalloxid-basierter Elektroden- und Membrankomponenten sowie der plasmachemischen Anbindung von Katalysatoren auf Substraten durchgeführt.

Dünne Schichten verleihen vielen Materialien bessere Eigenschaften. Je nach Anwendung erfüllen die Schichten spezielle Funktionen: bei tribologisch beanspruchten Bauteilen verringern sie den mechanischen Abrieb oder bei Metallen die Neigung zur Korrosion. Sie dienen der Haftungsverbesserung von Materialverbünden, besitzen dekorativen Charakter, erleichtern die Reinhaltung (‚easy-to-clean‘) oder können der Oberfläche von Kunststoffen einen erhöhten Kratzschutz geben. Sie unterbinden als strukturkonforme, porenarme und transparente Barriereschicht die Permeation von Gasen (z.B. bei PET-Flaschen) oder schützen empfindliche Güter vor einer Diffusion von Lösungsmitteln (‚leachables‘) aus der Wand von Kunststoffbehältnissen. In der Halbleitertechnik und Optik übernehmen Beschichtungen Funktionen als Dielektrikum, EMV-Abschirmung bzw. als Antireflexschicht.

Neben den plasmagestützten Vakuum-Beschichtungsverfahren werden im Forschungsschwerpunkt Untersuchungen zur Schichtherstellung mittels Atmosphärendruck-PECVD geführt. Hierzu werden nichtthermische Hochfrequenz-Plasmajets mit plasmadiagnostischen Methoden, wie z.B. der Laser-Schlieren-Deflektometrie erforscht, Entladungs-und Schichtbildungsmodelle erstellt und im Zusammenhang mit den erhaltenen Schichteigenschaften interpretiert.

Plasma- und Ionenprozesse kommen bei der Herstellung von Präzisionsoptiken zum Einsatz, die Schlüs­selkomponenten für Ausrüstungen in den Gebieten Telekommunikation, Bildge­bung, Laseranwendungen oder Messtech­nik bilden. So beruht das Funktionsprinzip vieler optischer Bauelemente, wie z.B. hochreflektiver dielektrischer Laserspiegel und hochwertiger optischer Filter auf Interferenzschichtsystemen, die auf den optischen Elementen als dünne Schichten aufwachsen. Typisch sind hier Stapel von bis zu mehreren 100 Einzelschichten verschiedener Materialien (Oxide, Fluoride) von jeweils einigen 10 nm Schichtdicke. Darüber hinaus lassen sich die optischen Eigenschaften auch gezielt durch die nanoskalige Modifizierung der Oberflächenstruktur beeinflussen, um beispielsweise Antireflexschichten zu erzeugen. Um die hohe Fabrikationsqualität der Schichtsysteme hinsichtlich der Reproduzier­barkeit der Schichteigenschaf­ten (Brechungsindex, Absorption, Schichtdi­cke) zu erreichen, kommt der Regelung der Plasmaprozesse eine wichtige Rolle zu. Am INP werden im Rahmen dieser Thematik daher an Anlagen für die industrielle Produktion die Eigenschaften dieser Beschichtungsplasmen diagnostisch erfasst, mit Modellen flankiert und in Relation zu den re­sul­tie­ren­den Schich­tei­gen­schaf­ten ­ge­stellt.


Projektthemen

Im Januar 2017 startete das von der Leibniz-Gesellschaft geförderte Forschungsvorhaben CarMON in enger Zusammenarbeit des INP mit dem Leibniz-Institut für Neue Materialien Saarbrücken (INM) und dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH Düsseldorf (MPIE).

Es werden plasmagestützte Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff / metalloxidischen Nanohybriden erforscht, wichtigen Schlüsselmaterialien für die Energiespeicherung in Batterien und Superkondensatoren, aber auch für die elektrochemische Wasserentsalzung. Im Vorhaben werden Vakuumprozesse wie Elektronenstrahlverdampfung, Atomlagenabscheidung und Magnetronsputtern, aber auch atmosphärische Verfahren basierend auf Entladungen in Flüssigkeiten für die Synthese von Kohlenstoff/Vanadium- bzw. Titanoxid-Nanostrukturen untersucht. Die synthetisierten Nanohybride werden anhand weltweit führender neuer Ansätze für hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie am MPIE charakterisiert. Dabei sollen wegweisende Korrelationen zwischen der Nanostruktur und den Plasmaeigenschaften aufgedeckt werden, um damit während des Herstellungsprozesses sehr präzise Einfluss auf die resultierenden elektrochemischen Elektrodeneigenschaften nehmen zu können. Somit schafft das Projekt Voraussetzungen für eine großtechnische Produktion von hocheffizienten Elektrodenmaterialien.

Projektleiter:
Dr. Angela Kruth
Tel.: +49 3834 554 3860
angela.kruthinp-greifswaldde

Serienproduktion von marktfähigen Komponenten und Brennstoffzellensystemen für portable und stationäre Anwendungen am Standort Deutschland.

Das INP ist Mitglied und Themenleiter MEA-Entwicklung im ZiM-Netzwerk BiS-Net Brennstoffzellen in Serie, einer Kooperation von Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Seit ca. zwei Jahren werden am INP im Rahmen des Netwerks ZiM- und IGF-Projekte in enger Zusammenarbeit mit dem Institutspartner ZBT - Zentrum für Brennstoffzellenforschung in Duisburg – und einer Reihe von Unternehmern durchgeführt. Dabei werden Multi-Target-Magnetronsputter-Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von korrosionsstabilen Platin-basierten Elektroden für die Polymerbrennstoffzelle und von hochaktiven Raney-Nickel-type Elektroden für Elektrolyseure entwickelt, von den Partnern in speziell entwickelten Membran-Elektroden-Einheiten verarbeitet und letztendlich in der Anwendung gestestet. Des Weiteren startete 2017 im Rahmen des BiS-Net ein ZiM-Projekt zur Entwicklung eines großtechnisch einsetzbaren atmosphärischen Plasmaverfahrens für die Synthese von hochreinem Graphen. Dabei wird das Graphen aus organischen Präkursoren hergestellt und im Anschluss als Suspensionsprodukt im MEA-Herstellungsverfahren weiterverarbeitet.

Projektleiter:
Dr. Angela Kruth
Tel.: +49 3834 554 3860
angela.kruthinp-greifswaldde

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Programm: „Materialien für eine ressourceneffiziente Industrie und Gesellschaft – MatRessource“ Projektträger:Bundesministerium für Bildung und Forschung; Projektträger Jülich (PTJ)/Forschungszentrum Jülich GmbH

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines ressourceneffizienten Verfahrens zur Herstellung von Oxo-Produkten, einer wichtigen und wirtschaftlich sehr bedeutenden Klasse von Plattformchemikalien für z.B. Riechstoffe und Weichmacher. Dies soll durch die Verwendung heterogener Katalysatorsysteme ermöglicht werden. Das wissenschaftliche Gesamtziel besteht in einem neuartigen Katalysekonzept, bei dem Vorzüge der homogenen Katalyse mit denen der heterogenen Katalyse kombiniert werden sollen. Im INP werden folgende Themen untersucht: Variable Herstellung von funktionalisierten organischen und anorganischen Trägermaterialien durch gezielte Plasmabehandlung, Fixierung von homogenen Katalysatoren an diesen heterogenen Oberflächen, Screening  in verschiedenen Hydroformylierungsreaktionen, analytische und theoretische Durchdringung des Wechselspiels zwischen Katalysatorbereitung und Katalyseeigenschaften und darauf basierende Optimierung, Upscaling der Katalyse zur Herstellung von Fein- und Bulkchemikalien.  

Projektleiter:
Dr. Volker Brüser
Tel.: +49 3834 554 3808
brueser@inp-greifswald.de

Faserbasierte Hochleistungslaser werden für Prozesse wie Schweißen, Schneiden und Bohren ebenso genutzt wie für chirurgische Eingriffe. Die Materialgrundlage dieser Laser sind optische Fasern aus dotiertem Quarzglas. Diese Dotierung bestimmt maßgeblich deren optische Eigenschaften. Nun wird im 2017 gestarteten Projekt des Leibniz-Wettbewerbs gemeinsam mit den Partnern aus dem Leibniz-Institut für Photonische Hochtechnologien Jena (IPHT) ein neuer Ansatz verfolgt: Die erforderliche Materialabscheidung erfolgt durch mikrowellenerzeugte Plasmen unter Normaldruckbedingungen. Der Vorteil der plasmagestützten Prozesse liegt darin begründet, dass unterschiedliche Parameter bei der Erzeugung der Dotierung präzise einstellbar sind und so Fasern mit bisher unerreichter Qualität produziert werden können. Im INP werden Plasmadiagnostikverfahren eingesetzt und durch Simulationen und Modellierungsmethoden ergänzt, um die im Plasma ablaufenden chemischen und physikalischen Prozesse im Detail zu verstehen. Die so ermittelten optimalen Verfahrensbedingungen bilden die Grundlage für die Herstellung neuer Glasmaterialien im IPHT in Jena. Am dortigen Faserziehturm entstehen daraus optische Fasern, deren optische Eigenschaften und Lasereffizienz letztlich die Prüfsteine für das Projekt darstellen.

Projektleiter:
Dr. Rüdiger Foest
Tel.: +49 3834 554 3835
foestinp-greifswaldde

Zur Her­stel­lung von hoch­wer­ti­gen Kom­po­nen­ten für die Dünn­schicht­op­tik in Laseranwendungen, Telekommunikation oder Messtechnik, wird u.a. die Plas­ma-Io­nen gestütz­te Deposition (PIAD) ein­ge­setzt. Das in-si­tu Mo­ni­to­ring zur Prozessregelung be­schränkt sich der­zeit auf die Be­stim­mung der op­ti­schen Di­cke - es fehlt die Er­fas­sung der im Pro­zess wirk­sa­men Plas­makomponenten. Im Rah­men des BMBF-Pro­jek­tes "Plas­ma und op­ti­sche Tech­no­lo­gi­en" (Plu­TO+) wid­met sich das INP der ­dia­gnos­ti­schen Er­fas­sung von Plas­ma­pa­ra­me­tern in ei­ner in­dus­tri­el­len PIAD-Pro­duk­ti­ons­an­la­ge mit ma­gnet­feld­gestütz­ter DC-Ent­la­dung als Plas­maquel­le (APS). Da­mit wer­den für Beschichtungs­pro­zes­se (Ti­O2, Si­O2, Al2O3 und MgF2) erst­mals quan­ti­ta­ti­ve In­for­ma­tio­nen zum Plas­ma ge­won­nen, mit Modellen flankiert und in Relation zu den re­sul­tie­ren­den Schich­tei­gen­schaf­ten ­ge­stellt. Diese Kenntnisse erlauben ei­ne neue Qua­lität der Steu­er­al­go­rith­men, die auf den für das Schicht­wachs­tum ei­gent­lich re­le­van­ten Plas­ma­kenn­größen beruhen. Die Wei­ter­ent­wick­lung der PIAD-Pro­zes­se führt da­mit zur bes­se­ren Erfüllung der sei­tens der In­dus­trie ge­for­der­ten As­pek­te wie Re­pro­du­zier­bar­keit, räum­li­che Ho­mo­ge­nität, ver­bes­ser­te En­er­gie­ef­fi­zi­enz und Stei­ge­rung der De­po­si­ti­ons­ra­te oh­ne Qua­litätsein­bußen.

Projektleiter:
Dr. Rüdiger Foest
Tel.: +49 3834 554 3835
foestinp-greifswaldde

Industrieller Box-Coater zur Herstellung von Dünnschichtoptiken

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a) Außenansicht
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b) Plasmaquelle (li) und Verdampfer (re) im Betrieb
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c) Blick in die Vakuumkammer mit Substrathalterung (Kalotte) Plasmaquelle und Verdampfer

Teil­pro­jekt: Nichtthermischer, reaktiver Atmosphärendruck-Plas­ma­jet

Im Teil­pro­jekt des SFB/TR24 "Grund­la­gen kom­ple­xer Plas­men" wer­den die Ei­gen­schaf­ten des Plas­mas ei­nes un­ter Norm­al­druck ope­rie­ren­den, an­iso­ther­men Plas­ma­jets ex­pe­ri­men­tell un­ter Nut­zung spek­tro­sko­pi­scher Me­tho­den cha­rak­te­ri­siert, durch ein Hy­brid­mo­dell be­schrie­ben und in Re­la­ti­on zu den Ei­gen­schaf­ten von ab­ge­schie­de­nen SiOx- Schich­ten be­trach­tet.

Bei Normaldruckplasmen handelt es sich um hoch­gra­dig nicht­sta­ti­onäre Plas­men, die so­wohl er­ra­ti­schen als auch pe­ri­odi­schen, struk­tu­rier­ten Cha­rak­ter auf­wei­sen können. Insbesondere die strukturierten Ent­la­dungen weisen ein Potential zur verbesserten Steu­er­bar­keit der Schich­tei­gen­schaf­ten auf. Si­li­zi­um­hal­ti­ge Funk­ti­ons­schich­ten fin­den An­wen­dun­gen z.B. als Haft­ver­mitt­ler, als Per­mea­ti­ons­bar­rie­re, zur Verbesserung des Kratzschutzes oder zum Kor­ro­si­ons­schutz. Die Pro­zessführung un­ter Norm­al­druck hat Ein­spa­rungs­po­ten­zi­al hin­sicht­lich der In­ves­ti­ti­ons­kos­ten und lässt die lo­ka­le Be­schich­tung großflächi­ger Geo­me­tri­en zu.

Projektleiter:
Dr. Rüdiger Foest
Tel.: +49 3834 554 3835
foestinp-greifswaldde


Publikationen

Schäfer, J.; Bonaventura, Z.; Foest, R.:
On the fundamental relation of laser schlieren deflectometry for temperature measurements in filamentary plasmas
Eur. Phys. J. Appl. Phys. 71 (2015), p. 20804

Peglow, S.; Pohl, M.-M.; Kruth, A.; Brüser, V.:
Plasma Based Synthesis, Electron Microscopy, and Optical Characterization of Au-, Ag-, and Ag/Au-Core-Shell Nanoparticles
J. Phys. Chem. C 119 (2015), p. 563-572

Harhausen, J.; Loffhagen, D.; Foest, R.:
Interpretation of the optical emission of argon in the plume of the Advanced Plasma Source
J. Phys. D: Appl. Phys. 48 (2015), p. 045203

Garkas, W.; Fröhlich, M.; Weltmann, K.-D.; Leyens, C.:
Oxidation and decomposition of Ti2AIN MAX phase coating deposited on nickel-based super alloy
IN718 Mat. Sci. Forum 825-826 (2015), p. 628-635

Kontakt

Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald

Dr. Rüdiger Foest
Forschungsschwerpunktleiter Materialien und Oberflächen

Tel.: +49 3834 - 554 3835
Fax: +49 3834 - 554 301

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www.leibniz-inp.de

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