Oberflächen nach Maß
Strahlwerkzeuge für die Oberflächenbearbeitung, Materialmodifikation und Raumfahrt
Technologien und Infrastruktur für präzise Materialbearbeitung, funktionale Oberflächen und Raumfahrtantriebe
Die Querschnittseinheit entwickelt und betreibt Strahl- und Plasmatechnologien für die gezielte Bearbeitung und Modifikation von Materialien. Ziel ist es, leistungsfähige und teilweise einzigartige Werkzeuge bereitzustellen und deren Anwendung in Forschung und Industrie zu ermöglichen.
Als zentrale Technologieplattform verbindet die Einheit die Entwicklung von Strahlquellen, das physikalische Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse, die präzise Diagnostik sowie die Umsetzung in anspruchsvolle Anwendungen – von der Grundlagenforschung bis hin zu Raumfahrtanwendungen, Quantentechnologien und Sensorsystemen.
Entwicklung und Optimierung von Strahlwerkzeugen
Strahlquellen und Prozessgrundlagen
- Entwicklung von Plasma- und Ionenstrahlquellen für unterschiedliche Anwendungen
- Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen
- Bestimmung von Zerstäubungsausbeuten und Sekundärteilchenprozessen
- Weiterentwicklung von Technologien für präzise Materialbearbeitung
- Aufbau eines vielseitigen technologischen Werkzeugkastens am IOM
Messtechnik und Simulation
Diagnostik und Prozessanalyse
- Einsatz intrusiver und nicht-intrusiver Diagnostikmethoden
- Entwicklung eigener Sensoren und Messverfahren
- Nutzung laserspektroskopischer Methoden
- Kombination mit numerischen Simulationen zur Prozessanalyse
Elektronenstrahltechnologie und Forschungsinfrastruktur
Hertz-Elektronenstrahllabor: Materialmodifizierung und Spektroskopie
- Betrieb des Hertz-Elektronenstrahllabors mit hochenergetischen Beschleunigern
- Grundlagenuntersuchungen zu elektroneninduzierten Prozessen
- Modifikation von Materialien wie Polymeren, Halbleitern und Hybridmaterialien
- Einzigartige Infrastruktur für Forschung und industrienahe Anwendungen
Anwendungen in Materialbearbeitung, Quantentechnologie und Raumfahrt
Funktionalisierung und High-Tech-Anwendungen
- Ionenimplantation und Defekt-Engineering für funktionale Materialien
- Anwendungen in Quantentechnologien, Sensorik und Halbleitersystemen
- Gezielte Modifikation von Oberflächen für unterschiedliche Materialklassen
- Entwicklung und Diagnostik von Ionenantrieben für die Raumfahrt
Beitrag als zentrale Technologieplattform am IOM
Infrastruktur, Transfer und institutsweite Wirkung
- Bereitstellung von Schlüsseltechnologien für mehrere Fachbereiche
- Verbindung von Werkzeugentwicklung, Prozessverständnis und Anwendung
- Unterstützung von Projekten vom Experiment bis zur industriellen Umsetzung
- Stärkung der technologischen Infrastruktur und Innovationsfähigkeit des Instituts
Entwicklung und Optimierung von Strahlwerkzeugen
Strahlquellen und Prozessgrundlagen
- Entwicklung von Plasma- und Ionenstrahlquellen für unterschiedliche Anwendungen
- Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen
- Bestimmung von Zerstäubungsausbeuten und Sekundärteilchenprozessen
- Weiterentwicklung von Technologien für präzise Materialbearbeitung
- Aufbau eines vielseitigen technologischen Werkzeugkastens am IOM
Forschungsthemen im Überblick
Entwicklung von Strahl- und Plasmawerkzeugen
Maßgeschneiderte Strahlquellen für präzise Oberflächenbearbeitung und Beschichtung.
Grundlagen und Anwendung von Strahl- und Plasmawerkzeugen
Wechselwirkungen verstehen und gezielt für Materialbearbeitung und Schichtentwicklung nutzen.
Ionenquellen verstehen
Strahl- und Plasmaquellen analysieren und für stabile und effiziente Prozesse optimieren.
Deterministische Ionenimplantation
Einzelionen präzise platzieren für Quantentechnologien und neuartige Bauelemente.
Hertz-Elektronenstrahllabor
Forschungsinfrastruktur für Materialmodifikation und zeitaufgelöste Prozessanalysen.
Elektronenstrahltechnologien für Defekt-Engineering und Sensorik
Funktionale Materialien und Sensorsysteme durch gezielte Defektstrukturen entwickeln.
Ausgewählte Forschungsbeispiele
Ionenantrieb für Kleinsatelliten
Effiziente elektrische Antriebssysteme für die Raumfahrt
Kleinsatelliten gewinnen zunehmend an Bedeutung – gleichzeitig steigt der Bedarf an kompakten, kosteneffizienten und leistungsfähigen Antriebssystemen.
Das IOM entwickelt gemeinsam mit Kooperationspartnern ein neuartiges Ionenstrahlantriebssystem. Grundlage ist ein patentiertes Gitterionentriebwerk mit integriertem Neutralisator, das die Anzahl der Komponenten reduziert und so Kosten und Komplexität senkt.
Das System wurde erfolgreich miniaturisiert und weiterentwickelt. Aktuell befindet es sich in der Qualifikationsphase für den Einsatz im Weltraum.
Ergebnis:
- kompakter, kosteneffizienter Ionenantrieb
- Schub von ca. 1 mN bei < 50 W Leistung
- Grundlage für neue Satellitenmissionen und Konstellationen
Plasmen präzise messen mit Laserspektroskopie
Nicht-invasive Diagnostik für Strahl- und Plasmaprozesse
Für die Entwicklung und Optimierung von Plasma- und Ionenstrahlprozessen ist ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse entscheidend.
Am IOM werden dafür hochauflösende laserspektroskopische Verfahren wie LIF (Laserinduzierte Fluoreszenz) und TALIF (Zwei-Photonen-Absorptions-Laserinduzierte Fluoreszenz) eingesetzt und weiterentwickelt. Diese ermöglichen die berührungslose Bestimmung von Geschwindigkeitsverteilungen, Temperaturen und Teilchendichten in Plasmen – mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.
Die Methoden kommen sowohl in der Materialbearbeitung als auch in der Raumfahrt zum Einsatz, etwa bei der Analyse von Ionenquellen und Triebwerken.
Ergebnis:
- präzise Messung zentraler Plasmaparameter
- verbesserte Effizienz und Lebensdauer von Strahlquellen
- Grundlage für optimierte Beschichtungs- und Antriebsprozesse
Nanodiamant-basierte Quantensensorik für Krebsdiagnostik
Neue Messmethoden für personalisierte Medizin
Die frühzeitige und präzise Diagnose von Krebserkrankungen erfordert neue, hochsensitive Messverfahren auf molekularer Ebene.
Das IOM entwickelt gemeinsam mit Partnern eine neuartige Methode auf Basis von Nanodiamant-Relaxometrie. Dabei werden quantensensorische Effekte genutzt, um freie Radikale in Krebszellen in Echtzeit zu detektieren.
Ein zentraler Beitrag des IOM liegt in der kontrollierten Erzeugung von NV-Zentren in Nanodiamanten mittels Elektronenstrahltechnologie sowie in deren gezielter Oberflächenmodifizierung für biologische Anwendungen.
Ergebnis:
- hochsensitive Detektion biochemischer Prozesse in Echtzeit
- verbesserte Reproduzierbarkeit von Quantensensoren
- Potenzial für personalisierte Diagnostik und Therapie
