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Neue Herstellungsmethode für dünne Metallfilme:
Kooperationsprojekt erhält Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft

Metalle vereinen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ein hohes Reflexionsvermögen für Licht. In dieser Kombination dienen sie unter anderem als Kontaktschichten für Solarzellen und Leuchtdioden. In diesem Zusammenhang besonders interessant sind Metallfilme, die elektrisch leitfähig und gleichzeitig durchsichtig sind. Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung dieser ultradünnen Filme entwickelt ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Riedl (Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente, Bergische Universität Wuppertal) und Prof. Dr. Anjana Devi (AG Chemie anorganischer Materialien, Ruhr-Universität Bochum). Es erhält für das Vorhaben eine Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft in Höhe von rund 600.000 Euro.

Tim Hasselmann zeigt den Anlagenprototyp zur plasmaunterstützten räumlich sequenziellen ALD.
Foto Eugen Shkura
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Solarzellen oder Leuchtdioden benötigen zum Betrieb elektrische Kontaktschichten, so genannte Elektroden. Um Licht ein- oder auszukoppeln, muss mindestens eine dieser Elektroden nicht nur leitfähig, sondern auch teilweise lichtdurchlässig (transparent) sein. „Metallfilme können diese Anforderungen erfüllen. Sie dürfen dazu jedoch nicht dicker als 10 Nanometer (nm) sein. Im Größenvergleich mit dem Trägermaterial, auf das diese Schicht üblicherweise aufgebracht wird, entspricht das in etwa einem Floh, der auf der Spitze des Kölner Doms sitzt“, erklärt Prof. Riedl. Die kontrollierte großflächige und homogene Herstellung solcher ultradünnen Metallfilme ist mit etablierten Methoden bislang nur unzureichend möglich.

Die Atomlagenabscheidung (ALD) ist diesbezüglich ein vielversprechendes Verfahren, da sie die homogene Beschichtung großer Flächen mit einer Schichtdickenkontrolle bis hinunter zu einer einzelnen atomaren Lage ermöglicht. „Die ALD ist heute bereits zur Abscheidung keramischer Dünnschichten etwa für Speicher in der Mikroelektronik industriell etabliert, steckt für Metalle wie Silber oder Kupfer allerdings noch in den Kinderschuhen“, so Prof. Riedl weiter. In Vorarbeiten hat das Team des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der Bergische Universität einen Anlagenprototyp zur plasmaunterstützten räumlich sequenziellen ALD (APP-ALD) bei Atmosphärendruck entwickelt. „Mit diesem Modellsystem können wir einen Prozess studieren, der perspektivisch einen hohen Durchsatz sowie geringe Produktionskosten in Aussicht stellt. Sogar eine Rolle-zu-Rolle-Beschichtung mittels ALD wird dadurch ermöglicht“, erklärt Tim Hasselmann, der als Doktorand am Lehrstuhl von Prof. Riedl forscht. 

Eine wesentliche Herausforderung stellen die für die ALD erforderlichen Vorstufen-Moleküle (sog. Präkursoren) dar. „Diese müssen thermisch stabil sein, einen hohen Dampfdruck aufweisen und sich in Kombination mit einem geeigneten Reaktionspartner bei niedrigen Temperaturen vollständig in einen Metallfilm umwandeln“, sagt Nils Boysen, Doktorand in der Arbeitsgruppe Chemie anorganischer Materialien an der Ruhr-Universität Bochum. Die AG unter Leitung von Prof. Dr. Anjana Devi gehört zu den weltweit führenden im Bereich der Entwicklung und Synthese dieser Präkursoren. „Die Entwicklung neuer und geeigneter chemischer Vorstufen für die ALD ermöglicht die erfolgreiche Abscheidung von metallischen Dünnschichten. Ganz besonders für die ALD von metallischen Dünnschichten sind bisher nur wenig chemische Vorstufen bekannt“, erläutert Prof. Devi.

Ziel des Zusammenschlusses beider Arbeitsgruppen ist die Erforschung der plasmaunterstützten ALD ultradünner Metallschichten bei Atmosphärendruck, um auf diesem Weg metallische Elektroden mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig hoher optischer Transparenz herzustellen.

„Die Expertisen der Projektpartner ergänzen sich in optimaler Weise. Unsere Vorarbeiten, die inzwischen in dem sehr namhaften wissenschaftlichen Journal Angewandte Chemie publiziert worden sind, haben auch die Gutachterinnen und Gutachter überzeugt und dem Projekt einen Kick-start beschert“, freut sich Prof. Riedl und ergänzt: „Wenn es uns gelingt, diese Dynamik aufrecht zu erhalten und schließlich die Projektziele zu erreichen, dann können wir damit einen wichtigen Beitrag beispielsweise für die Photovoltaik leisten.“

Die Laufzeit des Vorhabens beträgt drei Jahre bei einem Fördervolumen von rund 600.000 Euro.

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Riedl
Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente
Bergische Universität Wuppertal
E-Mail: t.riedl{at}uni-wuppertal.de

Prof. Dr. Anjana Devi
AG Chemie anorganischer Materialien
Ruhr-Universität Bochum
E-Mail: anjana.devi{at}rub.de