Aktuelle Projekte (Cluster Deposition, ECI)

Hartstoff-Beschichtungen

Mit hoher kinetischer Energie abgeschiedene Cluster aus binären oder ternären Systemen, z.B. TiN oder TiAlN, können bei niedrigen Substrattemperaturen (Zimmertemperatur) aufgebracht werden. Die auf diese Weise hergestellten Schichten besitzen eine sehr glatte Oberfläche und haften aussergewöhnlich gut auf der Unterlage.
Da TiN ein biokompatibles Material ist, können diese Schichten zur chemischen Passivierung von Implantaten im menschlichen Körper eingesetzt werden. Weiter dienen sie als Hartstoffüberzug für Presswerkzeuge bei der Herstellung von Linsen aus hochwertigem Glas.

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Startschichten für die galvanische Schichtabscheidung

Die Galvanik ist ein weitverbreitetes und kostengünstiges Verfahren zur Schichtabscheidung. Z.B. können mit dem im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten LIGA-Verfahren (Röntgenlithographie, Galvanik, Kunststoffabformung) sehr kleine Strukturen für die Mikrosystemtechnik hergestellt werden. Bei kleinen Strukturen gibt es jedoch ein Problem: die galvanische Abscheidung startet in kleinen Löchern nicht richtig.
Durch die gerichtete Deposition von energiereichen Clustern können aber selbst kleinste Grundflächen von Kunststoffschablonen zur Kontaktierung beschichtet werden. Erste Beschichtungen von Spinndüsen-Strukturen aus PMMA (Plexiglas) zeigen, daß eine lückenlose Beschichtung des Bodens selbst in kleinsten Zwischenräumen möglich ist, was eine wesentliche Verbesserung zu den bisher verwendeten, aufgesputterten Schichten darstellt. Die Seitenwände werden im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren nicht bzw. nur sehr gering beschichtet, so daß bei ersten Metallisierungen im Forschungszentrum Karlsruhe ein kontrolliertes Aufwachsen der NiP-Schicht möglich war (s.Abb.). Weitergehende Experimente konzentrieren sich auf die Dicke der Pd-Schicht. Durch die Schichtdicke kann die Geschwindigkeit der galvanischen Abscheidung und somit auch die Qualität der aufgebrachten Schicht optimiert werden.

Lichtmikroskopische Aufnahme einer in PMMA (Plexiglas) geformten Mikrostruktur, bei der nach dem Aufbringen einer Pd-Clusterschicht die autokatalytische Abscheidung einer 1300µm dicken NiP-Schicht auch in kleinsten Zwischenräumen erfolgreich durchgeführt werden konnte. Die Breite der PMMA-Strukturen beträgt 270µm, dies entspricht einem Aspektverhältnis von 4,8.
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Nanostrukturierte Materialien

Werden die Cluster unbeschleunigt abgeschieden, so bleibt die ursprüngliche Form der Cluster praktisch erhalten, da die thermische Energie des Strahls zum Ablösen von Atomen oder Aufschmelzen des Clusters zu gering ist. Somit ergeben sich Anwendungen, bei denen explizit die Größe der verwendeten Cluster (einige wenige Nanometer) von Bedeutung ist:

1) Herstellung von hochempfindlichen magnetischen Sensoren
In einem von der EU geförderten Projekt werden die Eigenschaften magnetischer Kobalt-Cluster untersucht, die in eine nichtmagnetische Schicht aus Silber oder Kupfer eingelagert werden. Aufgrund der spinabhängigen Streuung der Elektronen an den verschiedenen magnetischen Domänen kommt es zu einer dramatischen Abhängigkeit des elektrischen Widerstands der Schichten von angelegten äußeren Magnetfeldern. Dieser Effekt wird als "Riesen-Magneto-Widerstand", engl. Giant Magneto Resistance (GMR), bezeichnet.

2) Leuchtendes Silizium
Für kleine Si-Partikel von einigen nm Durchmesser wird eine Verschiebung der optischen Übergänge in den sichtbaren Wellenlängenbereich erwartet (Confinement-Effekt), mit einem gleichzeitigen Anstieg der Wahrscheinlichkeit für strahlende Rekombination. Dies eröffnet die Möglichkeit, Leuchtdioden auf Siliziumbasis herzustellen.
Es wurden erste Versuche unternommen, Siliziumcluster zu erzeugen, und Filme aus Clustern mit verschiedener Größe wurden hergestellt. Um eine Koaleszenz der Siliziumcluster auf dem Substrat zu verhindern, wurden sie bei der Deposition mit einer Oxidschicht überzogen. Photo- und Kathodolumineszenzmessungen an diesen Proben zeigten breite Emissionsbanden im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 600nm und 800nm

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