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Entwicklung eines Beschichtungsprozesses zur Herstellung von transparent leitfähigen Dünnfilmen aus AZO-Nanokristallen

Entwicklung eines Beschichtungsprozesses zur Herstellung von transparent leitfähigen Dünnfilmen aus AZO-Nanokristallen
Forschungsthema:Experimentelle Arbeit
Typ:Masterarbeit
Datum:ab sofort
Betreuer:

M.Sc. Julian Ungerer

- Experimentelle Arbeit -

Motivation:

Die vielfältigen Anwendungsgebiete von Aluminium-dotierten Zinkoxid (AZO) Halbleiterkristallen, wie z.B. in den Bereichen Dünnschicht-Solarzellen, Displays oder Leuchtdioden, erfordern eine Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigen Nanokristallen mit maßgeschneiderten Kristallgrößen und –formen. Beide beeinflussen maßgeblich die Eigenschaften der späteren Produkte und ermöglichen dadurch die Erzielung einer optimalen Performance. Hierzu wird ein grundlegendes Verständnis über die Herstellung von AZO Nanokristallen, ihrer Stabilisierung und ihrer Prozessierung zu transparenten leitfähigen Dünnschichten (TCO´s) vorausgesetzt.

Hintergrund:

Zur Herstellung von hochkristallinen AZO-Nanostrukturen wird der Prozess der nicht-wässrigen Sol-Gel-Synthese über die Benzylamine Route verwendet. Hierbei werden Partikelpräkursor im aromatischen Lösungsmittel wie Benzylamin bei Temperaturen zwischen 80°C und 120°C zu sphärischen AZO-Nanokristallen mit definierten Größen, engen Partikelgrößenverteilungen umgesetzt (siehe Abbildung 1). Aus Vorarbeiten konnten das Kristallwachstum von AZO während der Herstellungbereits umfangreich charakterisiert und grundlegende Erfahrungen über den anschließenden Stabilisierungsprozess gesammelt werden, sodass nun eine Übertragung der hierbei gewonnenen Erkenntnisse auf den Beschichtungsprozess erfolgen soll. Hierbei soll das Dip-Coating-Verfahren angewandt werden, um Schichtdicken bis zu 100 nm auf Glas und Si-Wafern zu realisieren.

  

Abbildung 1: TEM-Aufnahmen von sphärischen AZO-Nanokristallen, die mithilfe der nicht-wässrigen Sol-Gel-Synthese hergestellt wurden.

Aufgabenbeschreibung:

Im Rahmen der hier ausgeschriebenen Abschlussarbeit soll eine Entwicklung eines Beschichtungsprozesses zur Herstellung partikulärer Dünnfilme aus AZO-Nanokristallen erarbeitet werden. Hierbei sollen insbesondere Teilprozesse des Beschichtungsprozesses (z.B. Benetzung, Trocknung) und deren Einflussparameter hinsichtlich ihrer Relevanz auf den Gesamtprozess detailliert untersucht werden.

Im ersten Schritt soll der Herstellungs-, Aufreinigungs- und Stabilisierungsprozess der AZO-Nanokristalle durchgeführt und auf Basis vorangegangener Arbeiten validiert werden. Hierbei sollen sowohl partikelbezogene Eigenschaften (z.B. Kristallgröße/-morphologie, kolloidale Stabilität), als auch prozessbezogene Eigenschaften (z.B. Wachstumskinetik, Partikelkonzentration) der Ausgangsdispersion berücksichtigt und hinsichtlich ihrer Bedeutung auf den späteren Beschichtungsprozesses systematisch bewertet werden.

Auf Basis von stabilisierten Ausgangsdispersion soll in einem weiteren Schritt die Herstellung von partikulären Dünnfilmen mittels Dip-Coating-Verfahren unter Variation von Beschichtungsparametern (z.B. Feststoffkonzentration, Benetzungseigenschaften, Oberflächenspannungen, Filmziehgeschwindigkeit) erfolgen. Hierzu soll ein neuer Multiaxis-Dip-Coater in Betrieb genommen werden, der eine sehr präzise Einstellbarkeit von Fimziehgeschwindigkeiten zwischen 0,6-1000mm/min bei kontrollierten Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) bietet. Darüber hinaus können geeignete Substratmaterialien ausgewählt und bezüglich ihrer Einsatzfähigkeit im Rahmen des Beschichtungsvorgangs untersucht und bewertet werden.

Nach Festlegung optimaler Beschichtungsparameter soll ein nachgeschalteter Trocknungsprozess entwickelt werden, der durch geeignete Wahl an Trocknungsparametern (Temperatur, Heizrate) eine vollständige Entfernung des Lösungsmittels inklusive Stabilisatoren ermöglicht und gleichzeitig eine möglichst effiziente und schonende Trocknung unter Vermeidung von Inhomogenitäten im finalen Dünnfilm (Rissbildung, Schrumpfung) erlaubt. Hierbei kann u.a. der Einfluss der Dünnfilmzusammensetzung (Partikelkonzentration, Stabilisatormenge, Lösungsmittel) auf die Schichtdicke und Rissbildung mit bildgebenden Verfahren untersucht werden.

Für die messtechnische Untersuchung im Rahmen des Beschichtungsprozesses stehen verschiedene bildgebende Methoden, wie die Rasterelektronenmikroskopie(REM), die Lichtmikroskopie(LM) und ein μ -CT zur Verfügung. Darüber hinaus können weitere Methoden, wie die Dynamische Lichtstreuung (DLS) und die UV-Vis Spektroskopie verwendet werden. Zusätzlich kann die Röntgenstreuung und die Transelektronenmikroskopie (TEM) zur Strukturaufklärung der hergestellten Dünnschichten hinzugezogen werden. Zur Quantifizierung der Dünnschichtperformance in Abhängigkeit  partikulärer Parameter steht ein Vier-Punkt-Leitfähigkeitsprüfstand zur Verfügung.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf experimentellen Untersuchungen. Art und Umfang der Arbeit können gerne auf individuelle Interessen und Studienschwerpunkte angepasst werden. Falls dieses Thema dein Interesse geweckt haben sollte, kannst du jederzeit gerne bei mir vorbeischauen oder mir eine Mail schreiben.

Kontakt:          

                        M.Sc. Julian Ungerer

                        Tel.: 0721/608-44140

                        E-Mail: julian.ungerer∂kit.edu

                        Gebäude 30.48 (MZE), Raum 115 (1.OG)