DFG

SFB-TR 87: Hochleistungsplasmen zur Synthese Nanosturkturierte Funktionsschichten

Strukturbreiten von 50 nm und weniger, Aspektverhältnisse von 1:100 und mehr, die bahnbrechenden Erfolge der Plasmaoberflächentechnik weisen der Mikroelektronik und der Mikro- und Nanostrukturtechnik den Weg. Die einzigartigen Erfolge dieser Technologie beruhen nicht zuletzt auf neuen Plasmaquellenkonzepten, ohne die weder die Geschwindigkeit noch die Homogenität und Stabilität der Prozesse möglich gewesen wären. Bis zum heutigen Tage werden sowohl die Prozesse als auch die Quellen ständig weiter erforscht und weiter entwickelt, mit dem Erfolg, dass die Speicherkapazität noch größer, die Handys noch kleiner und die PCs noch leistungsfähiger werden. Maßgebend für diesen Erfolg ist die enge Verzahnung der Plasmadiagnostik mit der Prozesstechnologie, die in-situ Kontrolle der prozessrelevanten Parameter sowie deren Korrelation mit den erzielten Strukturen.

Die heutigen Beschichtungstechniken, sowohl die Kathodenzerstäubungsverfahren als auch die plasmaunterstützten Gasphasenabscheidungen werden ähnlich den Plasmaätzverfahren durch neue Quellenkonzepte beflügelt. Die Gemeinsamkeit der Fortentwicklung beider Techniken besteht in einer deutlichen Steigerung der Quellenleistungen bis in den Megawatt-Bereich sowie in einer gepulsten Leistungszufuhr, die eine gezielte Beeinflussung der Plasmaparameter bei gleichzeitiger Kontrolle der thermischen Belastung der Werkstoffe zulässt. Auf diese Weise werden die verwendeten Plasmen immer weiter in Richtung extremen Nichtgleichgewichts betrieben, um neue metastabile Hochleistungsschichten für tribologische Anwendungen im Maschinenbau abzuscheiden. Diese Schichtwerkstoffe sind nicht nur hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung einzigartig. Auch kann ihr nanostrukturierter Aufbau nur mit den neuesten Methoden der Plasmatechnik hergestellt werden.

Das Ziel des SFB-TR 87 ist es, durch Bündelung der Expertisen zweier auf den Gebieten der Plasmaphysik/Plasmatechnik und Werkstoffwissenschaften/Oberflächentechnik ausgewiesenen Standorte, Schichtsysteme mit einzigartigen tribologischen Eigenschaften auf Metallsubstraten sowie Barriereeigenschaften auf Kunststoffsubstraten zu erforschen. Dazu wird die neueste, teilweise selbstentwickelte Quellentechnologie zum Einsatz gebracht und mit einem sehr breiten Spektrum an quantitativen, ebenfalls teilweise neu entwickelten Plasmadiagnostiken, unterstützt durch Modellbildung und einmalige Einzelteilchenexperimente, charakterisiert. Ziel ist es weiterhin, die Zusammenhänge zwischen den Werkstoffeigenschaften und den Plasmaparametern zu erforschen und zur Plasmakontrolle, Schichtentwicklung und in-situ Schichtkontrolle einzusetzen. Auf diese Weise wird das bislang vorherrschende empirische Vorgehen überwunden und ein physikalisch und chemisch basiertes Prozessverständnis entwickelt.

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SFB 1316: Transiente Atmosphärendruck-Plasmen: von Plasmen zur Flüssigkeit zum Festkörper

Nichtgleichgewichtsprozesse sind die Grundlage einer Vielzahl von Phänomenen in der Natur wie Transport, Anregung von Atomen, Dissoziation von Molekülen oder Abregung und Dissipation an Oberflächen. Der Nichtgleichgewichtscharakter von Plasmen ist auf Grund der hohen Energiedichte in diesen Systemen und die sehr selektive Anregung durch z.B. Elektronen besonders deutlich. Bringt man diese Plasmen in Kontakt mit Flüßigkeiten oder Festkörpern, kann dieser Nichtgleichgewichtscharakter auf andere Materiezustände übertragen werden. An exzellentes Beispiel dafür sind plasmachemikalische Prozesse die direkt mit katalytischen Oberflächen gekoppelt werden.

Nichtgleichgewichstatmosphärendruck-Plasmen können in ihrem Charakter leicht kontrolliert und mit üblichen chemikalischen Prozessen gekoppelt werden. Empirische Strategien haben zu zahlrechen Anpassungen geführt. Weiterer Fortschritt wird allerdings durch einen Mangel an physikalischem Verständnis dieser Entladungen und ihrer Wechselwirkungen mit Flüßigkeits- und Festkörperübergängen behindert.

Der Sonderforschungsbereich (SFB) 1316 “Transient atmospheric plasmas – from plasmas to liquids to solids” packt diese Forschungsfragen durch Kombination von Expertise im Bereich der Plasmaphysik, der Oberflächenphysik, der Chemie, der Biotechnologie und der Ingenieurswissenschaften an. Dieser SFB fokussiert sich auf transiente Atmosphärendruck-plasmen unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Skalen für die Nanostrukturierung und Aktivierung von katalytischen Oberflächen, für die Koplung von Katalyse und Biokatalyse, sowie für elektrochemische Prozesse. Durch die starke Wechselwirkung zwischen diesen Plasmen und den begrenzenden Flächen müssen spezielle in-situ, Realzeit und in-operando Methoden eingesetzt werden. Das Forschungsprogramm folgt drei aufeinander aufbauenden Physen beginnend mit dem erreichen eines grundsätzlichen Verständnisses, der optimalen Integration von PLasma und aktiver Oberfläche bis schließlich der Hochskalierung dieser Plasmen. Der SFB 1316 sucht optimale Lösungen für Systeme zur Energieumwandlung  ('solar fuels', CO2 Umwandlung, Photokatalyse), für Gesundheit (beseitigung von gefährlichen organischen Verbindungen aus Luftströmen), für Biotechnologie (Plasma-getriebene Biokatalyse) und für technische Chemie (bottom-up Synthese von kleinen Molekülen zu wertvollen Chemikalien).