NSF-DFG: Innovationen bei der Herstellung eindimensionaler Metalloxid-Heterostrukturen auf der Grundlage von Ionen-Oberflächen-Wechselwirkungen

• Antragsteller: Dr. Frank Frost
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505877609

Additive Fertigungsverfahren werden zur spanungslosen Herstellung von Funktionsmaterialien mit dreidimensionalen (3D) Geometrien verwendet, die mit anderen Verfahren nicht hergestellt werden können. Ein neuer Ansatz, der die additive 3D-Fertigung komplexer nanoskaliger Materialien erlaubt, ist die ionengestützte Abscheidung unter streifenden Teilcheneinfall. Die Innovation im Fertigungsprozess beruht auf der Verwendung einer Assist-Ionenquelle, welche in einer Prozesseinheit durch drei sequenziell ablaufende Teilschritte zur Herstellung von qualitativ hochwertigen, homogenen und geordenten Nanomaterialien und deren Heterostrukturen benutzt werden kann. Die Teilschritte beinhalten dabei (i) die ionenstrahlgestützte Vorstrukturierung eines Substrates durch Ionenstrahlerosion, (ii) die Kontrolle von Phasenbestand und Stöchiometrie bei der Fertigung durch ionensgestützte Reaktivverfahren, und (iii) die ionengestützte Endbearbeitung der Geometrie des Werkstoffes durch Ionenstrahlpolieren.Die wissenschaftlichen Untersuchungen sind auf die Herstellung von Metalloxiden fokusiert, die anderen additiven 3D-Verfahren nicht zugänglich sind, für Anwendungen in der Sensorik, Photonik, Quantumtechnologie, Medizin- und Umwelttechnik aber von großer Bedeutung sind. Als Beispielsubstanz sollen Heterostrukturen von ZrO2-MoO3-x untersucht werden, die unter anderem vielversprechende Eigenschaften für verlustarme photonische Anwendungen zeigen.Die Herstellung der metalloxidischen Heterostrukturen soll in Abhängigkeit von Ionenstrahlparametern, wie Ionenenergie, Ionenstrahldichte, Ioneneinfallswinkel und Ionenmasse untersucht werden. Ein innovatives Konzept für die spektroskopische in-situ Ellipsometrie bei variierender Probenposition wird zur Echtzeitkontrolle benutzt. Die Weiterentwicklung der Fertigungsverfahrens wird von einer umfangreichen Prozessanalyse mit Hilfe von elektrischen und energieselektiv-massenspektrometrischen Sondenmessungen begleitet, die von Monte-Carlo Simulationen zum Massetransport in Festkörpern und in der Gasphase unterstützt wird. Die spezifischen strukurellen Eigenschaften der Materialien sollen in einem modifizierten Thornton-Diagram als Funktion von Prozessparametern wie Ionenbeschuß und streifenden Teilcheneinfall dargestellt werden. Die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur additiven 3D Fertigung von komplexen Nanomaterialien basiert auf einer synergistischen Zusammenarbeit mit komplementärer Expertise in Nanofabrikation, Ionentrahltechnik und Prozessanalyse zwischen Dr. Eva Schubert, Professor an der University of Nebraska-Lincoln und Dr. Frank Frost, Gruppenleiter Ionenstrahlstrukturierung und -glättung am Leibniz-Insitut für Oberflächenmodifizierung Leipzig. Die hochauflösende STEM-Bildgebung in Kombination mit der EDX-Elementaranalyse wird von Dr. René Feder, Teamleiter Hybridsysteme, vom IOM-Unterauftragnehmer Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen in Halle/Saale (Deutschland) durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Eva B. Schubert