Herstellung eindimensionaler Metalloxid-Heterostrukturen auf der Grundlage von Ionen-Oberflächen-Wechselwirkungen – Innovation im Fertigungsprozess

Herstellung eindimensionaler Metalloxid-Heterostrukturen auf der Grundlage von Ionen-Oberflächen-Wechselwirkungen – Innovation im Fertigungsprozess

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 geordneten 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 ionengestützte Reaktivverfahren, und (iii) die ionengestützte Endbearbeitung der Geometrie des Werkstoffes durch Ionenstrahlpolieren.

© Leibniz-Instituts für Oberflächenmodifizierung (IOM)
(a) Treppenförmiger SCTF (skulpturierter Dünnfilm) auf einem mit Ionenstrahlen vorstrukturierten Substrat; (b) Prinzip der Auffächerungsunterdrückung bei iGLAD (ionenstrahlunterstützte Glanzwinkelabscheidung). STEM
© Leibniz-Institut für Oberflächentechnik (IOM)
STEM-Abbildung und EDX-Elementanalyse von GLAD-gewachsenen Kobalt-Mumetall-Heterostrukturen mit ALDgewachsenen Al2O3-Nanobarriere.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der University of Nebraska-Lincoln, des Leibniz-Instituts für Oberflächenmodifizierung (IOM) und des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS richten in einem vom NSF (National Science Foundation) und der DFG geförderten Projekt den Fokus ihrer wissenschaftlichen Untersuchungen auf die Herstellung von Metalloxiden, die anderen additiven 3D-Verfahren nicht zugänglich, aber für Anwendungen in der Sensorik, Photonik, Quantentechnologie, Medizin- und Umwelttechnik von großer Bedeutung sind. Als Beispielsubstanz sollen Heterostrukturen von ZrO2-MoO3-x erforscht 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 genutzt. 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 strukturellen Eigenschaften der Materialien sollen in einem modifizierten Thornton-Diagramm als Funktion von Prozessparametern wie Ionenbeschuss und streifendem Teilcheneinfall dargestellt werden.

Die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur additiven 3D Fertigung von komplexen Nanomaterialien basiert dabei auf der synergistischen Zusammenarbeit mit komplementärer Expertise in Nanofabrikation, Ionentrahltechnik und Prozessanalyse zwischen Dr. Eva Schubert, Professorin an der University of Nebraska-Lincoln und Dr. Frank Frost, Gruppenleiter Ionenstrahlstrukturierung und -glättung am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. (IOM) Leipzig. Die hochauflösende STEM-Bildgebung in Kombination mit der EDX-Elementaranalyse wird von Dr. René Feder, Teamleiter Hybride Systeme, Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS durchgeführt.