Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik

Strukturaufklärung maßgeschneiderter AZO-Nanokristalle und ihrer Prozessierung zu funktionalen Dünnfilmen

Als Halbleiter stellt Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO) aufgrund seiner hohen Transparenz im sichtbaren Bereich, seinem geringen elektrischen Widerstand und seiner guten mechanischen Stabilität einen großen Forschungsschwerpunkt dar. Daraus ergeben sich vielfältige Anwendungsgebiete, wie z.B. in Dünnschicht-Solarzellen, Touch-Panels, Displays oder Leuchtdioden. AZO gilt hierbei als vielversprechende Alternative zu begrenzt verfügbaren Indium-basierten Oxiden. Während des nicht-wässrigen Sol-Gel Syntheseprozesses der AZO-Nanokristalle lassen sich sowohl die Partikelgrößen (5-75 nm) als auch die Partikelform (kugel-, stäbchen- oder plättchenförmig) gezielt beeinflussen (siehe Abbildung 1), sodass eine sehr große Vielfalt an partikulären Eigenschaften von AZO eingestellt werden kann.

 

       

Abbildung 1: Sphärische (links) und elongierte (rechts) AZO-Nanokristalle.

Im Rahmen des Kooperationsprojektes zwischen dem Institut für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig und dem Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (IMVM) des KIT soll der gesamte Herstellungsprozess von funktionalen Dünnfilmen aus AZO-Nanokristallen, bestehend aus den Teilprozessen Synthese, Stabilisierung und Beschichtung umfassend untersucht und entsprechende Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Prozessschritten über Prozess- und Eigenschaftsfunktionen beschrieben werden (siehe Abbildung 2). Hierbei sollen die verfahrenstechnischen Betrachtungsweisen am IMVM mit den materialwissenschaftlichen Ansätzen am iPAT verknüpft werden, um eine ganzheitliche Beschreibung der partikulären Einflüsse (z.B. Partikelgröße, -form und -morphologie) auf die Funktionalität der finalen Dünnfilme (z.B. optische Dichte und elektr. Leitfähigkeit) entlang der gesamten Prozesskette zu ermöglichen.

Abbildung 2: Prozessschema für die Herstellung von funktionalen Dünnfilmen aus AZO-Nanokristallen.

Der Schwerpunkt des IMVM liegt in der verfahrenstechnischen Charakterisierung struktureller Partikeleigenschaften während der Partikelsynthese, der Stabilisierung und des Beschichtungsprozesses auf nanoskaliger Ebene (1-300 nm). Hierbei kommt das Prinzip der Röntgenstreuung an Partikeln als Partikelmesstechnik durch die im Jahr 2018 von der Firma XENOCS erworbene GISAXS/USAXS/WAXS Laborkamera XEUSS Xoom 2.0 zum Einsatz (siehe Abbildung 3). Die Methodik der Röntgenstreuung zeichnet sich insbesondere durch ihren nicht-invasiven Charakter aus, sodass im Ultra-/Kleinwinkelbereich (engl. ultra-small and small angle X-ray scattering, USAXS) neben der quantitativen, integralen und zeitaufgelösten Erfassung  ablaufender Partikelbildungsmechanismen (Keimbildung, Partikelwachstum, Aggregation etc.) eine in-situ Analyse realisiert werden kann. Darüber hinaus können im Weitwinkelbereich (engl. wide angle X-ray scattering, WAXS) kristalline Eigenschaften des Partikelsystems auch in der Flüssigphase ermittelt werden, wie z.B. Phasenidentifikation, Quantifizierung von kristallinen Phasen und die Bestimmung der Kristallform. Hiermit bietet die Methodik der Röntgenstreuung sehr viele Anwendungsbereiche, sodass eine umfassende Charakterisierung des Partikelsystems über mehrere Verfahrensschritte hinweg (Synthese, Stabilisierung, Beschichtung) mit nur einer Messtechnik ermöglicht wird.

Für interessierte Studenten biete ich persönliche Laborführungen an! (E-Mail an julian.ungerer@kit.edu)

 

       

Abbildung 3: Gesamtansicht der GISAXS/USAXS/WAXS Laborkamera XEUSS Xoom 2.0 zur Auflösung partikelbasierter Strukturen auf nanoskaliger Ebene (links) und Ansicht der Cu-K-alpha Mikrofokus Röntgenquelle mit entsprechender Probenkammer (rechts).