Diamantartige Nanoschichten auf vorstrukturierten polymerabgeleiteten SiC-Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der ersten Projektphase wurden verschiedene SiC-Substrate (einkristalline SiC-Wafer, polykristallines SiC: Hexoloy® und aus Polycarbosilanen PCS) zur Erzeugung diamantartiger Nanoschichten eingehend untersucht. Dabei waren die Aufgaben unter den Projektpartnern aufgeteilt. Die polymerabgeleiteten polykristallinen SiC-Keramiken wurden in der Arbeitsgruppe Zollfrank hergestellt und charakterisiert. Alle Experimente und Verfahren in Zusammenhang mit dem selektiven Ätzen der Carbide mit Chlor und Wasserstoff wurden in der Arbeitsgruppe Popovska durchgeführt. Die Analyse der erhaltenen Kohlenstoff-Produktschichten (carbide derived carbon: CDC) mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie und nanochemischen Untersuchungen wurde in der Arbeitsgruppe Woltersdorf ausgeführt. Parallel dazu wurden in der Arbeitsgruppe Woltersdorf thermokinetische und quantenchemisch theoretische Untersuchungen zur Bildungsgeschwindigkeit, der Struktur und der Stabilität der sp3-hybridisierten Nanobereiche aufgeklärt. In umfangreichen Versuchsreihen wurde die Abhängigkeit des selektiven Si-Transports aus dem Gitterverband sowie der anschließenden Umstrukturierung von zahlreichen Prozeßparametern untersucht, wie Ätzgaszusammensetzung (insbesondere das Verhältnis Cl2/H2), Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Ätzzeit, Morphologie und Orientierung der Substratoberfläche. Mit Hilfe der atomebenen-abbildenden (HRTEM) und nanochemischen (EFTEM, EELS, ELNES, EDXS) Charakterisierungen der verschiedenen Reaktionsstadien sowie Raman-Spektroskopie konnten die optimale prozeßtechnologischen Parameter der Diamantbildung ermittelt werden. Bezüglich der Herstellung der PCS-abgeleiteten Template wurden die optimalen Precursor-Gemische und die entsprechenden Pyrolysebedingungen festgelegt, die sowohl zur SiC-Bildung führen, als auch - durch variablen molekularen Aufbau und einstellbare rheologische Eigenschaften - eine Mikrostrukturierung der PCS-abgeleiteten SiC-Oberflächen über ein neu entwickeltes softlithographisches Verfahren ermöglichten. Darauf aufbauend wurde in der anschließenden auslaufenden Projektphase im Unterschied zu den bisherigen Versuchen zur Nanodiamant- bzw. CDC-Bildung, die Steuerung der Kohlenstoffphasen-Dynamik über die strukturellen und chemischen Zusammensetzungen des Templats verwirklicht, dessen Eigenschaften durch das Herstellungsverfahren (Pyrolyse und Kristallisation des präkeramischen Polymerprecursors) und durch Dotierungen mit Borverbindungen gezielt eingestellt werden konnten. Zur Strukturierungsmöglichkeiten der PCS-abgeleiteten Template untersucht. Parallel dazu wurden neue Verfahren für die Strukturierung der PCS über PDMS und Silsesquioxan(PMS)/PCS-Komposite entwickelt. Der Einfluss von bor- und kohlenstoffhaltigen Zusatzstoffen auf die Keimung und Wachstum der sp3-hybridisierten Nanobereiche (Diamantphase) bei der Ätzung von PCS-abgeleiteten SiC-Substrate wurde umfassend untersucht. Zum Vergleich wurde zusätzlich eine Reihe der Experimente an der B-implantierten einkristallinen SiC durchgeführt. Mit Hilfe der quantenchemischen Modellierungen wurde eine stabilisierende Wirkung des Bors auf die sp3-hybridisierte diamantartige Kohlenstoffphase festgestellt, wenn die Boratome in der Kohlenstoff-Struktur eingebaut werden. Diese Ergebnisse wurden zuvor nicht in der Literatur berichtet und stellen ein Schlüssel zum Verständnis sehr unterschiedlichen Verhalten der Bordotierten und undotierten SiC-Substrate bei der Herstellung der diamantartigen Kohlenstoffschichten durch Ätzung mit Cl2/H2-Gasmischungen dar. Eine umfassende Charakterisierung der ungeätzten B- und C-dotierten gesinterten polykristallinen SiC-Substrate zeigt einen möglichen, alternativen Bildungsmechanismus der Diamantenphasen während der Sinterprozesse. Im Rahmen des Projektes ist es gelungen, einen zuvor unbekannten, alternativen Mechanismus der Bildung der Diamantenphase festzustellen. Dieser Mechanismus beruht offensichtlich auf der erhöhten Diffusionsgeschwindigkeit der Komponenten in SiC, hervorgerufen durch eine Dotierung von SiC mit C- und B-haltigen Sinterhilfsmitteln. Bei der Variation der Temperatur während des Sinterprozess von SiC, variiert sich auch die Konzentration der interstitiell eingelagerten Kohlenstoffatomen in SiC-Kristallgitter. Bei der Abkühlung könnte ein Teil den überschüssigen Kohlenstoff sich in der Form von Diamant ausscheiden. Die SiC-Matrix könnte bequem durch Ätzung mit Cl2 eliminiert werden. Die im Rahmen des Projektes erhaltene Ergebnisse deuten auf ein hohes Potenzial für die Entwicklung und Anwendung einer neuartigen technologischen Methode der Niederdruck-Kristallzucht der Diamantphase aus übersättigten Festkörperlösungen auf Basis von gezielt dotiertem SiC. Ausgehend von unseren Arbeiten ist es darüber hinaus erfolgversprechend, die Route über polymerabgeleitete Keramiken weiter zu verfolgen. Wie in unseren Arbeiten gezeigt werden konnte, ist es über dieses Verfahren möglich, Dotierstoffe in einfacher Weise über Elementverbindungen in die SiC-Phase zu integrieren, und so die Bildung sp3-hybridisierten Bereiche gezielt zu steuern. Weiterhin eröffnet unser softlithographisches Replikaverfahren die Möglichkeit, großflächig mikrooptische Bauteile aus SiC mit CDC-Schichten anzufertigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Processing of Carbide-Derived Carbon (CDC) Using Biomorphic Porous Titanium Carbide Ceramics, J. Europ. Ceram. Soc. 28 (2008) 1297-1303
Kormann M., H. Ghanem, H. Gerhard, N. Popovska
- Comparative study of carbide-derived carbons obtained from biomorphic TiC and SiC structures. Carbon 47(2009) 242-250
Kormann M, Gerhard H, Popovska N
- Effect of transition metal catalysts on the microstructure of carbide-derived carbon. Carbon 47 (2009) 2344-2351
Kormann M, Gerhard H, Zollfrank C, Scheel H, Popovska N
- Carbide-derived carbon: a novel approach for creating porous carbon materials with tuneable microstructure. JOM 62 (2010) 44-49
Popovska N, Kormann M
- Chlorination of titanium carbide for the processing of nanoporous carbon: A kinetic study. Chemical Engineering Journal 159 (2010) 236-241
Becker Ph., F. Glenk, M. Kormann, N. Popovska, B. Etzold
- Dissertation: Herstellung poröser Kohlenstoffe aus biomorphen Karbidkeramiken, Shaker Verlag 2010
Martina Schmirler
- Fabrication of silicon carbide micropillar arrays from polycarbosilanes. J Am Ceram Soc 93 (2010) 3929-3934
Jang Y-S, Zollfrank C, Jank M, Greil P
- Processing of carbide-derived carbons with enhanced porosity by activation with carbon dioxide. Microporous Mesoporous Mater 130 (2010) 167-173
Kormann M, Popovska N
- SiC ceramic micropatterns from polycarbosilanes. J Europ Ceram Soc 30 (2010) 2773-2779
Jang Y-S, Jank M, Maier V, Durst K, Travitzky N, Zollfrank C
- The effect of SiC substrate microstructure and impurities on the phase formation in car-bidederived carbon. Carbon (2010)
Ischenko V, Jang Y-S, Kormann M, Greil P, Popovska N, Zollfrank C, Woltersdorf J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.11.035)
