Atomlagenabscheidung von Bariumtitanat-Schichten zur gezielten Einstellung piezoelektrischer Oberflächenaktivität auf titanbasierten Implantatwerkstoffen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Phil Goldberg
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554832088

Ziel des geplanten Vorhabens ist die Erzeugung bioaktiver Oberflächen von titanbasierten Implantaten für biomedizinische Anwendungen. Die Oberfläche der Implantate wird mit einer piezoelektrischen BaTiO3-Beschichtung funktionalisiert. Aufgrund der piezoelektrischen Reaktionen an ihrer Oberfläche werden die Implantate bei mechanischer Beanspruchung befähigt, ohne eine externe Spannungsquelle elektrische Oberflächenladungen zur Verfügung zu stellen. Sie können auf diese Weise sowohl die Knochenregeneration erheblich verbessern als auch durch die elektrische Stimulation fortwährend Zellfunktionalitäten modulieren und antimikrobielle Prozesse unterstützen. Die innovative Methode der Atomlagenabscheidung (ALD) wird angewendet, um die piezoelektrischen BaTiO3-Dünnschichtfilme mit ihrem piezoelektrischen tetragonalen Phasenanteil auf verschiedenen Titanlegierungssubstraten herzustellen. Die ALD überzeugt gegenüber den gängigen Beschichtungsverfahren wie z.B. Molekularstrahlepitaxie und physikalische Gasphasen-abscheidung nicht nur durch hohe Konformität (den komplexen Implantatgeometrien angepasste Beschichtungsform), sondern auch durch die gute Prozesskontrolle, Skalierbarkeit und niedrige Prozesstemperaturen. Da der Ansatz der ALD für diesen Zweck erstmalig angewendet wird und der daraus resultierende BaTiO3-Dünnschichtfilm auf titanbasiertem Substratmaterial hinsichtlich seiner piezoelektrischen Eigenschaften bisher kaum untersucht wurde, soll im Rahmen des Projekts dazu eine umfassende wissenschaftliche Studie durchgeführt werden. Die Forschungsarbeiten umfassen die Einstellung von Prozessparametern für die Synthese von BaTiO3-Dünnschichtfilmen und eine ausführliche Werkstoffcharakterisierung dieser BaTiO3-beschichteten Titanlegierungsproben mit werkstoffwissenschaftlichen Analysemethoden, um daraus die strukturellen und physikalisch-chemischen Eigenschaften des Schichtmaterials zu bestimmen. Die Analyse der piezoelektrischen Eigenschaften erfolgt mittels Rastersondenmikroskopie und Kapazität-Spannung-Messtechnik, die unter anderem das Mapping ferroelektrischer Domänen bzw. ferroelektrische Hysterese erlauben. Ein weiteres Ziel ist das Erkennen von Zusammenhängen zwischen Gefüge-Struktur-Eigenschaften und der resultierenden Morphologie der Beschichtung. Darüber hinaus soll der Einfluss der Schichteigenschaften (in Abhängigkeit von der Schichtdicke) auf die piezoelektrischen Eigenschaften der BaTiO3-Beschichtung untersucht und bewertet werden. Ein grundlegendes Verständnis dieser Zusammenhänge und die Auswahl geeigneter Prozessierungsstrategie unterstützen die Konzeptentwicklung zur Herstellung anwendungsrelevanter Dünnschichtfilme. Unter Anwendung der bestgeeigneten Beschichtungsstrategien erfolgen im Labormaßstab erste Schritte zur Bewertung der Übertragbarkeit der ALD-Prozessierung auf komplexe Implantatformen und darauf basierend werden mögliche Skalierungsansätze für industrielle Anwendungen entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen