Skalierungs- und Transfereffekte in reaktiven Materialien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Anne Jung; Dr. Jörg Pezoldt
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426337931

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt werden Methoden und grundlegende Regeln definiert, um die selbsterhaltende Reaktionsausbreitung durch die Strukturierung der reaktiven Multilagenschichten und die Modulation der Einbettungsumgebung unter Verwendung der Prozessschritte der Halbleiterprozesstechnologie zu kontrollieren. Als Modellsystem wurde Ni/Al mit einer definierten Doppellagenschichtdicke gewählt. Untersucht wurde der Einfluss der lateralen Dimension und der räumlichen Anordnung auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Maximaltemperatur der Reaktionsfront sowie die Phasenbildung. Es wurden verschiedene Modelle entwickelt, um die charakteristischen Eigenschaften der selbstausbreitenden Reaktion, die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die maximale Temperatur auf Substraten und in heterogenen Multimaterialsystemen zu simulieren, um die Auslegung der Testchips und die Interpretation der Ergebnisse zu unterstützen. Das Projekt befasste sich mit den folgenden Fragen: Welchen Einfluss haben laterale und vertikale Begrenzungen und der damit verbundene Reaktionsweg auf die Eigenschaften der selbsterhaltenden Reaktion? Wie können freie Oberflächen und eine Materialumgebung mit lokal angepassten thermischen Leitfähigkeiten genutzt werden, um den Reaktionspfad zu kontrollieren? Wie wirkt sich die Strukturierung der reaktiven Multilayer auf die Reaktion und die Wärmeausbreitung aus? Können allgemeine Regeln für die Reaktionsausbreitung und den Transfer formuliert werden? Können die gewonnenen Erkenntnisse auf den Fügeprozess von Halbleiterchips angewendet werden? Neben der Beantwortung der Fragen wurde ein neues lokales Abscheideverfahren für reaktive Multilayer entwickelt, dass die Auflösungslimitierungen der Sputter- und Lift-off-Technologie vermeidet. Mit dem Fokus auf Skalierungs- und Transferprozesse trägt das Projekt zur Untersuchung und Formulierung grundlegender Regeln als Voraussetzung für die Integration reaktiver Materialien in die Fügetechnik für verschiedene Anwendungsbereiche bei. Basierend auf einer Technik zur Realisierung der Herstellung von bruchfreien Folien aus intermetallischen Verbindungen durch selbstausbreitende Reaktionen werden zwei Anwendungen im Bereich der flexiblen und dehnbaren Elektronik sowie der Bildung von Halbleitern mit breiter Bandlücke demonstriert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• MSE 2020 – Material Science and Engineering, The Digital Conference of the German Materials Society (Deutsche Gesellschaft für Materialkunde - DGM), Symposium F05 and F07: Materials with morphological imprinted transformations, 2020, Darmstadt, Germany.
  Anne Jung
  
• Influence of Initial Temperature and Convective Heat Loss on the Self-Propagating Reaction in Al/Ni Multilayer Foils. Materials, 14(24), 7815.
  Baloochi, Mostafa; Shekhawat, Deepshikha; Riegler, Sascha Sebastian; Matthes, Sebastian; Glaser, Marcus; Schaaf, Peter; Bergmann, Jean Pierre; Gallino, Isabella & Pezoldt, Jörg
  
• Silicon Carbide Formation in Reactive Silicon-Carbon Multilayers. Materials Science Forum, 1062, 44-48.
  Grieseler, Rolf; Gallino, Isabella; Duboiskaya, Natallia; Döll, Joachim; Shekhawat, Deepshikha; Reiprich, Johannes; Guerra, Jorge A.; Hopfeld, Marcus; Honig, Hauke L.; Schaaf, Peter & Pezoldt, Joerg
  
• Influence of environment on self-propagating reactions in Al/Ni multilayer foils. MRS Advances, 8(9), 477-483.
  Shekhawat, Deepshikha; Baloochi, Mostafa; Sudhahar, Dwarakesh; Raheja, Vishal Amarbhai; Döll, Joachim; Jacobs, Heiko O. & Pezoldt, Jörg
  
• Novel Gas Phase Route Toward Patterned Deposition of Sputter‐Free Pt/Al Nanofoils. Advanced Materials Technologies, 8(18).
  Isaac, Nishchay A.; Schlag, Leslie; Ispas, Adriana; Reiprich, Johannes; Soydan, Alper K.; Moreira, Pedro H. O.; Thiele, Sebastian; Aliabadian, Bardia; Flock, Dominik; Knauer, Andrea; Jiménez, Juan J.; Bund, Andreas; Morales, Francisco M.; Pezoldt, Jörg & Jacobs, Heiko O.
  
• Phase formation of cubic silicon carbide from reactive silicon–carbon multilayers. MRS Advances, 8(9), 494-498.
  Shekhawat, Deepshikha; Sudhahar, Dwarakesh; Döll, Joachim; Grieseler, Rolf & Pezoldt, Jörg
  
• 3C-SiC on Si substrates through transformation of Si and C multilayers, In: Book of Abstract from the International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM 2024), 615-617.
  D. Sudhahar, N. Duboiskaya, J. Döll, J. Reiprich, T. Scheler, D. Shekhawat & J. Pezoldt
  
• Controlling reaction transfer between Al/Ni reactive multilayer elements on substrates. MRS Advances, 9(10), 784-789.
  Shekhawat, Deepshikha; Sulman, Muhammad; Breiter, Manuela & Pezoldt, Jörg
  
• Experimental‐Assisted Approach to Develop a Numerical Model for Simulating the Reaction Propagation in Reactive Multilayers. Advanced Engineering Materials, 27(3).
  Daneshpazhoonejad, Farshad; Glaser, Marcus; Hildebrand, Jörg; Bergmann, Jean Pierre & Jung, Anne
  
• Modelling reaction transfer velocities in disconnected compact heterogeneous multilayer reactive material systems. MRS Advances, 9(10), 797-802.
  Shekhawat, Deepshikha; Sindhani, Kashish; Raheja, Vishal A.; Baloochi, Mostafa; Isaac, Nishchay A. & Pezoldt, Jörg
  
• Simulation of Heat Transfer and Propagation Velocity for Different Heat Loss Conditions for Guided Propagation Fronts in Reactive Multilayer Foils. Advanced Engineering Materials, 27(3).
  Daneshpazhoonejad, Farshad; Shekhawat, Deepshikha; Döll, Joachim; Pezoldt, Jörg & Jung, Anne
  
• Controlling the reaction path of Ni/Al reactive multilayer on substrates. Journal of Alloys and Compounds, 1010, 178026.
  Shekhawat, Deepshikha; Sulman, Muhammad; Flock, Dominik; Ecke, Gernot; Glaser, Marcus; Döll, Joachim; Bergmann, Jean Pierre & Pezoldt, Jörg