Elektrische und strukturelle Stabilität hoch-dehnungsempfindlicher Metall-Kohlenstoff Sensorschichten

• Antragsteller: Dr. Marcus Koch; Professor Dr. Günter Schultes
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313882403

Metall-Kohlenstoff-Dünnschichten (Me:a-C:H oder Me:a-C) können bis zu 15 mal empfindlicher auf Dehnungen reagieren (k-Faktor: bis 30) als die Materialien, die üblicherweise als Sensorelement in herkömmliche Dehnungsmessstreifen (DMS, k-Faktor: 2) verwendet werden. Die Dehnungsempfindlichkeit des elektrischen Widerstandes weist ein lineares Verhalten von der Dehnung auf, und der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes ist auf das Prüfkörpermaterial einstellbar. Me:a-C:H-Schichten bieten somit das Potential, als hochempfindliche DMS eingesetzt zu werden. Interessant erweisen sie sich insbesondere, wenn geringe Dehnungen detektiert werden müssen. Beim Einsatz von Nickel als Metall (Ni:a-C:H) ergeben sich die höchsten Dehnungsempfindlichkeiten (k-Faktor von 30). Jedoch offenbart sich mit zunehmender Temperatur eine stark zunehmende intrinsische Nachwirkung; d.h. nach Verformung ändert sich zeitlich bei konstanter Belastung der Widerstand. Ebenfalls ist bei höherer Temperatur eine Drift des elektrischen Widerstandes im Ruhezustand messbar. Diese Instabilitäten verhindern es bis dato, hochempfindliches Ni:a-C:H als Sensorschicht breiter einzusetzen. Eine Reduktion der Instabilitäten wird erreicht, wenn Nickel teilweise durch Chrom ersetzt wird (NiCr:a-C:H). Allerdings verringert sich durch diese Maßnahme die Dehnungsempfindlichkeit, dass sie lediglich 5 mal höher als diejenige herkömmlicher DMS-Materialien ist. Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Untersuchungen der Ni:a-C:H-Schichten zeigen, dass sie aus nanoskaligen Metallpartikeln bestehen, die von einer graphitartigen Kohlenstoff-Zwiebelschalenstruktur umgeben sind, und aus Bereichen mit amorpher Anordnung des Kohlenstoffs in den Zwischenräumen. Erste Unterschiede in der Morphologie von Ni:a-C:H und NiCr:a-C:H sind aufgefallen: Bei letzterer wurde die graphitartige Kohlenstoffstruktur nicht beobachtet.Das Ziel des Vorhabens ist es, die Schichtstrukturen und Prozesse, die die hohe Empfindlichkeit und die Instabilitäten von Ni:a-C:H bewirken, zu identifizieren, und unter Erhalt der hohen Empfindlichkeit, die zeitliche Nachwirkung unter Last und Temperatur abzustellen.Als Arbeitshypothese dient die Vermutung, dass Abgleitvorgänge in den graphitartigen Kohlenstoffstrukturen zu den beobachteten Widerstandsänderungen führen. Es soll zunächst erkundet werden, inwiefern Chrom den Schichtaufbau und die mechano-elektrischen Eigenschaften modifiziert. Mittels Temperversuchen, TEM- und röntgendiffraktometrischen in-situ Heizexperimente sollen thermisch induzierte Diffusions- und Umlagerungsprozesse identifiziert werden. Eine Modellierung der Schicht und Computersimulationen sind zur Erforschung der Leitfähigkeitsmechanismen und der Auswirkung der Verformung geplant. Aufbauend auf die sich ergebenden Erkenntnisse werden Modifikationen in der Schichtherstellung durchgeführt, um das graphitartige Kohlenstoff-Netzwerk zu härten und auf dieser Weise die Abgleitvorgänge zu bremsen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen