Pulveraerosolbasierte Kaltabscheidung keramischer Schichten: optisch induzierte thermische Nachbehandlung zur Wiederherstellung der Funktionseigenschaften

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jaroslaw Kita
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504114273

Mit der pulveraerosolbasierten Kaltabscheidung (PAD) lassen sich bei Raumtemperatur dichte keramische Schichten erzeugen. Neben dem geringen prozesstechnischen Aufwand und den hohen Abscheideraten besteht der Vorteil darin, temperatursensible Werkstoffe, wie flexible Polymere, ohne Materialdegradationen beschichten zu können. Allerdings setzen prozessbedingte Spannungen des Kristallgitters häufig die Funktionseigenschaften von PAD-Schichten herab, z.B. führt eine verminderte Ladungsträgerbeweglichkeit zu einer geringeren elektrischen oder ionischen Leitfähigkeit. Das Projekt zielt auf die schonende Wiederherstellung der Funktionseigenschaften von PAD-Keramiken durch den Energieeintrag mittels optischer Strahlung.Konkret wird untersucht, wie durch Laser- und LED-Strahlung auf der exponierten Schichtoberfläche Gitterdeformationen signifikant reduziert werden können, ohne temperatursensible Substrate wie in der klassischen Wärmebehandlung durch Delamination, Interdiffusion oder Materialdegradation zu schädigen. Während Laserstrahlung eine punktuelle Bearbeitung ermöglicht, erlauben Hochleistungs-LED mit hohen Abstrahlwinkeln eine gleichmäßige flächige Bestrahlung. Die maximale Annäherung an die Bulk-Eigenschaften bei minimaler Temperaturbelastung erfordert Kenntnis über die Energieabsorption der Beschichtung sowie über die Wärmeverteilung innerhalb des Materialverbunds. Daher wird verständnisorientiert ein Simulationsmodell der orts- und zeitaufgelösten Temperaturgradienten bestrahlter Schichten unterschiedlicher Dicken auf Substraten erstellt. Abhängig von dem emittierten Strahlungsspektrum und den materialspezifischen Kenngrößen, wie der wellenlängenabhängigen Absorption und der Wärmeleitfähigkeit, zeigt es allgemeingültig kritische Nachbehandlungsparameter der zeitabhängigen Bestrahlung auf.Experimentell werden an unterschiedlich dicken Schichten zweier Modellkeramiken zentrale Größen zur Steigerung der Funktionseigenschaften für die Modellbildung ermittelt. Konkret wird der Einfluss von Wellenlänge, Bestrahlungsstärke und Wirkdauer der optischen Strahlung auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften im Vergleich zu den Bulk-Eigenschaften gesinterter Referenzproben untersucht. Umgekehrt werden Prognosen der Simulationen über zielführende Prozessparameter experimentell überprüft.Als Modellkeramiken mit einem hohen Anwendungspotential für die Energiewandlung werden thermoelektrisches Kupfer-Eisen-Delafossit und lithiumionenleitendes Lithiumgranat gewählt. Sie sind hinlänglich bekannt, können bei Raumtemperatur charakterisiert werden und wurden bereits über PAD reproduzierbar abgeschieden. Da sich ihre Absorptionskoeffizienten stark unterscheiden, werden unterschiedliche Nachbehandlungserfolge bei gleichen Bestrahlungsparametern erwartet. Bei einem zügigen Projektfortschritt wird das allgemeingültige Modell mit weiteren Funktionskeramiken und Substraten validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen