Analyse der Mechanismen des dieleketrischen Durchschlags in keramischen Werkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Gerold A. Schneider
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198021916

Die in den ersten drei Projektjahren durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass beim dielektrischem Durchschlag an etwa 5µm-5mm dicken Bulk-Keramiken, raumladungsbegrenzte elektrische Leitfähigkeit (SCLC, Space Charge Limited Conduction) dominiert und dadurch eine Abhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit (DS-Festigkeit) von der Probendicke vorliegt. Das bedeutet, dass Modelle des dielektrischen Durchschlags, die von ohmscher Leitfähigkeit beim Durchschlag von Keramiken mit Dicken von 5µm-5mm ausgehen, nicht korrekt sind. Deshalb wurde in der ersten Projektperiode ein auf SCLC basierenden Durchschlagsmodell (DS-Modell) in Analogie zum bruchmechanischen Konzept der Energiefreisetzungsrate entwickelt, das die gefundene Dickenabhängigkeit der DS-Festigkeit sowie deren Abhängigkeit von der Permittivität erklärt.Im Fortsetzungsantrag sollen folgende Fragestellungen geklärt werden: 1. Das neu entwickelte DS-Modell soll weiter validiert werden. Das Modell prognostiziert eine Abhängigkeit der DS-Festigkeit von der Länge der postulierten leitfähigen Filamente, die den Durchschlag initiieren. Da die leitfähigen Filamente bisher experimentell nicht nachgewiesen werden können, werden mittels FIB (Focused Ion Beam) leitfähige Porenkanäle unterschiedlicher Länge in defektfreie Substrate eingebracht. Die so präparierten Proben werden durchgeschlagen und die DS-Festigkeit mit der Filamentlänge korreliert. Die Ergebnisse werden mit der Modellvorhersage verglichen. 2. Da die SCLC dickenabhängig ist, d.h. bei dickeren Proben erst bei höheren Spannungen einsetzt, gibt es eine obere Grenzdicke, über der der Durchschlag unter ohmschen Leitfähigkeitsbedingungen stattfinden müsste. Deshalb sind DS-Versuche an so dicken Proben geplant, dass SCLC vor dem Durchschlag nicht mehr einsetzen und damit das entwickelte DS-Modell nicht mehr gültig sein sollte. In diesem dritten Dickenbereich sollte die DS-Festigkeit nicht mehr dickenabhängig sein, bzw. zumindest eine andere verglichen mit der bisher gemessenen Dickenabhängigkeit zeigen. 3. Es soll untersucht werden, wie sich die DS-Festigkeit geschichteter Proben verhält. Da beim dielektrischen Durchschlag 5µm-5mm dicker Keramikproben SCLC vorliegt, kann davon ausgegangen werden, dass sich eine Schichtung beim dielektrischen Durchschlag nicht analog zum linearen ohmschen Modell des geschichteten Dielektrikums verhält. Hier soll insbesondere die Auswirkung einer Schichtung im dickenabhängigen und dickenunabhängigen Durchschlagsbereich gleicher Keramiken sowie mit Proben unterschiedlicher Permittivität untersucht werden. Wir erwarten, dass sich die DS-Festigkeit einer Keramik durch eine dünne Beschichtung mit einer zweiten Keramik geringerer Permittivität erhöht, was insbesondere für die technische Anwendung und einer möglichen Patentierung größtes Potential hat. Um die DS-Festigkeit der geschichteten Proben beschreiben zu können, soll das lineare Modell des geschichteten Dielektrikums auf SCLC erweitert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen