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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.

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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

Dreidimensionale nanoskalige Metallschichten für die Elektrokatalyse (3DnanoMe 2.0)

Im Projekt „3DnanoMe 2.0“ wird die Plasmatechnologie zur wirtschaftlichen Herstellung von Elektrokatalysatoren in 3-Phasensystemen eingesetzt, die eine Umwandlung von elektrischer in chemische Energie und umgekehrt zur Speicherung bzw. Stromerzeugung ermöglichen, z.B. in der Wasserstofftechnologie. Damit leistet das Projekte einen Beitrag zu einer nachhaltigen, fossilfreien Energiewirtschaft.
Inhaltlich baut das Projekt auf dem im INP entwickelten und mittlerweile patentierten und publizierten plasmabasierten Verfahren auf, mit dem die Herstellung von elektrokatalytischen Schichten mit hohen Aktivitäten und hoher Stabilität gelingt.  Diese katalytischen Schichten erhöhen durch eine Senkung der Aktivierungsbarriere die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und können, eingesetzt in Gasdiffusionselektroden oder Membran-Elektroden-Anordnungen, als gängige Produkte für elektrochemische Systeme wie Brennstoffzellen und Elektrolyseure verwendet werden. Diese Technologie muss nun auf einen für die industrielle Anwendung relevanten Maßstab skaliert und in der Brennstoffzelle und dem Elektrolyseur unter realen Bedingungen validiert werden, also den Sprung aus dem Labor in die Anwendung schaffen.  Hierzu wird das neue Katalysatorkonzept direkt für die Membran-Elektroden Anordnung oder Gasdiffusionelektrode umgesetzt.
Das Projekt wird mit rund 1,4 Mio. € vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Förderkennzeichen 03VP06451) gefördert. Das BMBF verfolgt im Rahmen der Hightech-Strategie 2025 „Forschung und Innovation für die Menschen“ das Ziel, die vielfältigen Anwendungspotenziale exzellenter Forschung schneller und effektiver zu identifizieren und für Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar zu machen. Die Fördermaßnahme „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP+“ soll Forscherinnen und Forscher dabei unterstützen, Forschungsergebnisse zu validieren und die Anwendung dieser möglich zu machen.

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

Pressemitteilung:
https://www.inp-greifswald.de/de/aktuelles/presse/pressemeldungen/2020/brennstoffzellen-fuer-wasserstoff-fahrzeuge/

Publikation:
Sievers, Gustav W. et. al.: Self-supported Pt-CoO networks combining high specific activity with high surface area for oxygen reduction, in: Nature Materials, 24. August 2020.
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0775-8

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Blick in die Plasmazone des Vakuumgefäßes für die plasmagestützte Schichtabscheidung. Drei Magnetrons ermöglichen die Herstellung von Mehrkomponentenschichten.
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Nanoporöse Platinschicht
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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


Publikationen


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