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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Physikalische und Chemische Gasphasenabscheidung

Im Bereich „Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)“ werden keramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen als zukünftige Energieumwandlungstechnik erforscht. Die Forschung und Entwicklung reicht von der Synthese geeigneter Werkstoffe und der pulvertechnologischen Herstellung von Komponenten inklusive einer qualifizierten Charakterisierung bis zu kompletten Brennstoffzelle.

PVD/CVD

Mikrostrukturiert, leistungsfähiger, preisgünstiger: Die Mikroelektronikindustrie hat vorgemacht, wie auch hochkomplexe  Systeme mit massenfertigungstauglichen Herstellungsverfahren besser und bezahlbarer werden können. Auch für Brennstoffzellen und andere  Energiewandler und -Speicher ist die effiziente und damit wirtschaftliche Herstellung ein ganz wichtiger Aspekt.

Das Institut IEK-1 setzt daher auf sogenannte Gasphasenabscheidungsprozesse. Hier unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten: physikalische Gasphasenabscheidung (engl.: physical vapor deposition, kurz: PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (engl.: chemical vapor deposition, kurz: CVD). 

Prinzip

Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) wird ein Material z.B. durch Verdampfen oder Zerstäuben auf atomarer Skala in die Gasphase überführt. Das Gas trifft auf die zu beschichtenden Proben und scheidet sich dort, je nach Versuchsdauer, als nanometer- bis mikrometerdünne Schicht ab. Während des gesamten Beschichtungsprozesses - Überführen in die Gasphase,  Bewegung zu den Proben und Kondensation auf der Probenoberfläche - ändert sich nur der Aggregatszustand des Werkstoffs: von "fest" oder "flüssig" zu "gasförmig" und wieder zu "fest".  Es bleibt aber grundsätzlich chemisch dasselbe Material. 

Anders bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD): Hier werden Gase zu den Proben geleitet, die auf dem Weg zur Probe bzw. an der Probenoberfläche chemisch reagieren. Ein Teil der chemisch reagierten Substanzen bleibt an der Oberfläche und bildet die Schicht. 

Anlagentechnologien

Das Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) hat zur physikalischen Gasphasenabscheidung Anlagen zur Kathodenzerstäubung ("Sputtern") im Gleichstrom (DC)- , im Puls- und im Hochfrequenz (RF-)-Betrieb, sowie Elektronenstrahlverdampfung. Beide Prozesse können auch reaktiv, d.h. in Anwesenheit eines Gases, mit dem das Material in der Gasphase reagieren kann, durchgeführt werden. Zur Einstellung der Morphologie können die Beschichtungen bei Temperaturen bis 800 °C und wahlweise mit zusätzlicher Ionenunterstützung erfolgen. 

Abbildung: Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) AnlageAnlagenbild: Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

Schematische Zeichnung: Prinzip einer PVD Anlage (Firma Ardenne Anlagentechnik: CS 400 ES)Prinzipieller Aufbau der PVD Anlage des IEK-1 (mit freundlicher Genehmigung der Firma "Von Ardenne" Anlagentechnik)

Die Anlage zur chemischen Gasphasenabscheidung erlaubt den Einsatz metall-organischer Vorstufen (sog. Prekursoren; diese Verfahren heißt dann auch MO-CVD (engl. metal organic chemical vapor deposition)) sowie eine Prozessführung, bei der die Schichten in einzelnen aufeinander folgenden Atomlagen aufgebaut wird (engl. atomic layer deposition, kurz: ALD).

Abbildung: Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) AnlageAnlagenbild: Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Durch den Einsatz metallorganischer Prekursoren können vergleichsweise niedrige Beschichtungstemperaturen im Bereich von ca. 100-300°C erreicht werden. Der ALD-Modus erlaubt auch die Beschichtung der inneren Oberflächen von porösen Materialien. So können z.B. Diffusionsbarieren, Oxidationsschutzschichten oder biokompatible Schichten aufgebracht werden.


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