Herstellung multifunktionaler Nanokomposit-Dünnschichten unter Verwendung nanopartikulärer Bausteine

Projektbearbeitung: Tobias Preller

Auf Grund des fortwährenden Bestrebens nach immer kleineren und leistungsfähigeren elektronischen Bauteilen werden stetig höhere Ansprüche an die verwendeten Materialien gestellt. Dabei spielen neben optimierten Hochleistungsmaterialien mit komplexer Zusammensetzung zunehmend multifunktionale Kompositmaterialien eine bedeutende Rolle. Die Zusammenführung unterschiedlicher Materialien im nanoskaligen Maßstab birgt hierbei ein riesiges Potential, welche neben der reinen Kombination der jeweiligen Eigenschaften oftmals die Ausbildung vollkommen neuartiger Charakteristiken ermöglicht. Bislang wurden damit unter anderem austauschgekoppelte Magneten (Exchange-Spring Magnets), aus hart- und weichmagnetischen Materialien zusammengesetzte Permanentmagneten mit einer hohen Magnetisierung, sowie multiferroische Materialien, in denen ferroelektrische und superparamagnetische Eigenschaften vereint werden, realisiert.
Zur Herstellung solcher Kompositmaterialien wird alternativ zu den bisherigen komplexen Fertigungsverfahren zunehmend die Kombination vorgefertigter Bausteine erprobt, die eine gezielte Auswahl von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschafen ermöglicht. Diese Bausteine werden dabei gezielt in Form von kleinsten Nanopartikeln (unterhalb von 20 nm Größe) synthetisiert. Einige Beispiele stellen Aluminiumoxid Al2O3, Bariumtitanat BaTiO3, Eisenoxid FexOy, Titandioxid TiO2 und Zirconiumdioxid ZrO2 dar.
Eine wesentliche Herausforderung stellt dabei die Vermeidung von Agglomerationsvorgängen im nanopartikulären Medium dar, welche zur Ausbildung homogener Komposite und somit der Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung der unterschiedlichen Partikelsorten im Kompositmaterial unabdingbar ist. Die Anfertigung der Komposite erfolgt dabei in Form dünner Beschichtungen (Abb. 1, Abb. 2).
 

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Abbildung 1: Die schematische Darstellung gibt die zufällige Anordnung der nanopartikulären Bausteine (gelb und blau) in einer Nanokomposit-Dünnschicht wieder.
 

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Abbildung 2: Die TEM-Aufnahme eines Dünnschicht-Nanokomposits zeigt die gute Durchmischung zweier nanopartikulärer Bestandteile.
 
 
 
 
 
 
Im Forschungsbereich Nanomaterialien wird die Herstellung solcher Nanokomposite aus zuvor synthetisierten Nanopartikeln mit Hilfe eines Drei-Schritt-Verfahrens untersucht. Dieses bietet dabei deutliche Vorteile gegenüber komplexeren Methoden, wie beispielsweise der oftmals eingesetzten in situ-Synthese, in der die molekularen Vorstufen der Bausteine und somit die einzelnen Materialien bereits auf atomarer Ebene miteinander vereint werden, jedoch nur eine geringe Kontrolle über die entstehende Produktmorphologie, sowie über die gebildeten Nebenprodukte und keine willkürliche Auswahl individueller Phasen möglich ist.

 

 


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