Synthese hochfunktionaler Nanopartikel über einen Sol-Gel-Prozess unter Verwendung von Röntgenstreumethoden: von der Prozessentwicklung zur Prozessregelung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Meurer; Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504545992

Die Entwicklung alternativer Verfahren zur Herstellung und Integration funktioneller Nanomaterialien in komplexe optoelektronische Halbleitersysteme, wie organische Leuchtdioden oder Dünnschichtsolarzellen, hat im Zusammenhang mit der Energiewende und dem Mangel an Halbleitern aus seltenen Erden einen sehr hohen wissenschaftlichen Stellenwert. Die nichtwässrige Sol-Gel-Syntheseroute (NAR) in der Flüssigphase liefert eine besonders geeignete, kostengünstige und gut steuerbare Prozessroute für die Herstellung einer großen Vielfalt hochfunktioneller und kristalliner Metalloxide (MeO) mit einstellbaren Partikeleigenschaften (Größen, Morphologien) zur gezielten Modifikation der Produkteigenschaften (Leitfähigkeit, Optik), von z.B. aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO). Zur Regelung des NAR-Prozesses ist der Einsatz diverser Messtechniken mit Zugang zur zeitaufgelösten Prozesscharakterisierung erforderlich und bietet damit hervorragende Voraussetzungen für deren Echtzeitintegration in eine autonome Prozessregelung. Die Analyse und Regelung von Partikelprozessen beruht typischerweise auf geeigneten Prozessmodellen, die im Allgemeinen aus einer ein- oder mehrdimensionalen partiellen Integro-Differentialgleichung, d.h. der Populationsbilanz, und einer oder mehreren gewöhnlichen Differentialgleichungen entsprechend Massen- und Energiebilanzen der flüssigen Phase bestehen. Diese sogenannten First-Principle Modelle werden durch konstitutive Gleichungen, Keimbildung- und Wachstumskinetiken sowie Bruch- und Aggregationsbeziehungen ergänzt. Das endgültige Ziel des vorliegenden Antrags ist die Entwicklung, Realisierung und Bewertung einer neuartigen autonomen Prozessregelungsstrategie für den Herstellungsprozess von hochkristallinem MeO über die NAR und die Untersuchung der Übertragbarkeit der entwickelten kombinierten Prozess- und Eigenschaftsregelung auf allgemeine Partikelprozesse entlang der Sol-Gel-Syntheseroute. Der experimentelle Teil des Vorhabens wird vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (Prof. Hermann Nirschl) bearbeitet, während die regelungstechnischen Aspekte vom Lehrstuhl für Automatisierungs- und Regelungstechnik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (Prof. Thomas Meurer) entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2364: Autonome Prozesse in der Partikeltechnik - Erforschung und Erprobung von Konzepten zur modellbasierten Führung partikeltechnischer Prozesse
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Georg Garnweitner