Oberflächen nach Maß
Grundlagen und Anwendung von Strahl- und Plasmawerkzeugen
Wechselwirkungen verstehen und gezielt für Materialbearbeitung und Schichtentwicklung nutzen
Das IOM untersucht die grundlegenden Wechselwirkungen zwischen energetischen Teilchen und Festkörperoberflächen. Ziel ist es, die fundamentalen physikalischen Prozesse zu verstehen und gezielt für Anwendungen in der Oberflächenbearbeitung und Dünnschichtentwicklung zu nutzen.
Wechselwirkungen von Strahlen mit Materialien
- Untersuchung von Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen
- Analyse von Stoßprozessen und Stoßkaskaden
- Erforschung von Defektbildung, Strukturänderungen und Materialtransport
- Verständnis von Prozessen auf atomarer und nanoskaliger Ebene
Prozesse der Materialmodifikation und Schichtbildung
- Untersuchung von ioneninduziertem Abtrag (Zerstäubung)
- Nutzung emittierter Teilchen für Schichtabscheidung
- Einfluss von Teilchen- und Energieflüssen auf Materialeigenschaften
- Steuerung von Struktur und Phasenzusammensetzung von Dünnschichten
In-situ-Diagnostik und Prozessanalyse
- Nutzung von Sekundärelektronenemission zur Oberflächencharakterisierung
- Zeitaufgelöste Analyse von reaktiven PVD-Prozessen
- Kombination von Ionenstrahlprozessen mit in-situ-Methoden
- Einsatz von Verfahren wie in-situ Röntgenbeugung
Beitrag zur Optimierung von Strahl- und Plasmatechnologien
- Verbesserung von Lebensdauer und Effizienz von Strahlquellen
- Grundlage für die gezielte Steuerung von Beschichtungs- und Bearbeitungsprozessen
- Entwicklung neuer Ansätze zur Materialmodifikation und Dünnschichtentwicklung
- Verbindung von Grundlagenverständnis und anwendungsnaher Nutzung
Projekt
Oberflächenentmischungseffekte in nichtrostendem Duplexstahl bei Plasmadiffusionsbehandlungen unter Nutzung eines festen Kohlenstoff Präkursors
In dem Projekt erforscht das IOM gemeinsam mit dem Institut für Werkstofftechnik der TU Bergakademie Freiberg die Effekte eines festen Kohlenstoffmaterials auf die Oberflächenmodifikation von Duplexstahl beim Plasmanitrocarburieren. Ziel des Vorhabens ist die ganzheitliche Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen dem festen Kohlenstoff-Präkursor, der Prozessgaszusammensetzung und der Oberflächenmodifikation des Duplexstahls sowie der daraus resultierenden Eigenschaften, insbesondere des Korrosionsverhaltens. Mithilfe der komplementären Methoden beider Forschungsgruppen soll die Prozessparameter-Struktur-Eigenschafts-Korrelation geklärt werden, um grundlegende Erkenntnisse zum Nitrocarburieren von Duplexstahl zu gewinnen.
Am Ende der Untersuchungen erwarten die Wissenschaftler:innen konkrete Empfehlungen für verbesserte Oberflächenbehandlungen von Duplexstählen. Dies wäre ein wichtiger Schritt hin zu langlebigeren und leistungsfähigeren Werkstoffen für industrielle Anwendungen.
Gefördert durch DFG
Oberflächenentmischungseffekte in nichtrostendem Duplexstahl bei Plasmadiffusionsbehandlungen unter Nutzung eines festen Kohlenstoff Präkursors
In dem Projekt erforscht das IOM gemeinsam mit dem Institut für Werkstofftechnik der TU Bergakademie Freiberg die Effekte eines festen Kohlenstoffmaterials auf die Oberflächenmodifikation von Duplexstahl beim Plasmanitrocarburieren. Ziel des Vorhabens ist die ganzheitliche Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen dem festen Kohlenstoff-Präkursor, der Prozessgaszusammensetzung und der Oberflächenmodifikation des Duplexstahls sowie der daraus resultierenden Eigenschaften, insbesondere des Korrosionsverhaltens. Mithilfe der komplementären Methoden beider Forschungsgruppen soll die Prozessparameter-Struktur-Eigenschafts-Korrelation geklärt werden, um grundlegende Erkenntnisse zum Nitrocarburieren von Duplexstahl zu gewinnen.
Am Ende der Untersuchungen erwarten die Wissenschaftler:innen konkrete Empfehlungen für verbesserte Oberflächenbehandlungen von Duplexstählen. Dies wäre ein wichtiger Schritt hin zu langlebigeren und leistungsfähigeren Werkstoffen für industrielle Anwendungen.
Gefördert durch DFG
Publikationshighlights
C. Bundesmann, H. Neumann
Tutorial: the systematics of ion beam sputtering for deposition of thin films with tailored properties
J. Appl. Phys. 124 (2018) 231102, https://doi.org/10.1063/1.5054046
Es besteht eine steigende Nachfrage nach Dünnschichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften, was den Einsatz und die Kontrolle geeigneter Abscheidungstechniken erfordert. Die Ionenstrahl-Sputterabscheidung (Ion Beam Sputter Deposition - IBSD) bietet die einzigartige Möglichkeit, die Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen (gesputterte Target- und gestreute Primärteilchen) und damit auch die Eigenschaften der Dünnschicht maßzuschneidern. Um das volle Potenzial von IBSD auszuschöpfen, ist ein umfassendes Verständnis der physikalischen Prozesse erforderlich. Dieses Tutorial beschreibt erstmals umfassend die grundlegende Systematik der IBSD: die Korrelation zwischen Prozessparametern, Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen und Eigenschaften der dünnen Schicht.
J. Bernstein, J.W. Gerlach, A. Finzel, C. Bundesmann
Ion beam sputter deposition of SiO2 thin films using oxygen ions
Eur. Phys. J. B 95 (2022) 39, https://doi.org/10.1140/epjb/s10051-022-00307-y
SiO2-Dünnschichten wurden durch Ionenstrahl-Sputterabscheidung unter Verwendung von Sauerstoffionen unter systematischer Variation der Ionenenergie und der geometrischen Parameter (Ionen-Einfallswinkel, polare Emissionswinkel, Streuwinkel) aufgebracht. Die SiO2-Dünnschichten wurden hinsichtlich Schichtdicke, Wachstumsrate, Oberflächenrauheit, Kristallinität, Massendichte und optischen Eigenschaften charakterisiert.
Der Artikel ist der letzte in der Serie von insgesamt vier Artikeln mit systematischen Grundlagenuntersuchung der Teilchen- und Schichteigenschaften bei der Ionenstrahl- Sputterabscheidung von SiO2-Dünnschichten. Die Arbeiten ergänzen Studien zur IBSD von Ag, Ge, TiO2, ITO und Ga2O3.
D. Manova, P. Schlenz, S. Mändl
A combination of ion beam sputtering and in situ x-ray diffraction as a method for depth-resolved phase analysis using nitrogen-implanted austenitic stainless steel as an example
J. Appl. Phys. 131 (2022) 025306, https://doi.org/10.1063/5.0075245
Die in-situ-Röntgendiffraktometrie (XRD) während der Ionenimplantation oder Dünnschichtabscheidung ist eine leistungsstarke Methode, um die zeitliche Entwicklung von Phasenbildungs- und Diffusionsprozessen in Dünnschichten zu verfolgen, auch wenn die Tiefenauflösung nach wie vor von der Informationstiefe der Röntgenstrahlen dominiert wird. Bei der Sputterätzung mit energiereichen Ionen bei moderaten Temperaturen, bei der keine Diffusions- oder Phasenumwandlungsprozesse aktiv sind, spielt diese Einschränkung jedoch keine Rolle mehr. Hier können dünne Oberflächenschichten mit einer Tiefenauflösung von 25 nm oder besser identifiziert werden – während gleichzeitig Informationen für Schichtdicken von 10 µm und mehr zugänglich sind.
D. Manova, J. Bauer, A. Dalke, S. Mändl
In-situ XRD investigations during nitriding of duplex steel 318LN
Surf. Coat. Technol. 509 (2025) 132222, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2025.132222
Die Nitrierung vom Edelstahl 318LN wurde mittels in-situ-Röntgendiffraktometrie (XRD) untersucht, um Details zur zeitlichen Entwicklung der Diffusion und Phasenbildung im Temperaturbereich von 350–500 °C zu erhalten. Ergänzend wurden Ergebnisse aus ex-situ-Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) einschließlich energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Elektronenrückstreubeugung (EBSD) herangezogen, um ein umfassendes Bild zu erhalten. Es zeigt sich eine Mischung aus expandiertem Austenit und einer röntgenamorphen, stark ungeordneten ferritischen Struktur als stickstoffhaltige Phase, wobei diese zweite Phase in der XRD-Analyse vollständig unsichtbar ist.
F. Haase, D. Manova, D. Hirsch, S. Mändl, H. Kersten
Dynamic determination of secondary electron emission using a calorimetric probe in a plasma immersion ion implantation experiment
Plasma Sources Sci. Technol. 27 (2018) 044003, https://doi.org/10.1088/1361-6595/aabb2d
Eine passive thermische Sonde wurde verwendet, um dynamische Veränderungen in der Sekundärelektronenemission (SEE) zu erfassen. Die Energieflussdaten wurden mit Rasterelektronenmikroskopie-Bildern der Oberfläche kombiniert, um Informationen über die tatsächliche Oberflächenzusammensetzung sowie Trends und Veränderungen während des Prozesses zu erhalten. Die Oxide zeigten im Vergleich zu den reinen Metallen eine deutlich höhere SEE, während bei den Nitriden ein uneinheitliches Verhalten beobachtet wurde. Die vorgestellte Methode ist eine vielseitige Technik zur Messung dynamischer Veränderungen der Oberfläche von Materialien. Damit lassen sich Prozesse mit einer Zeitauflösung von etwa 1 Minute, z.B. Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung verfolgen. Diese Erkenntnisse sind wichtig für industrielle PVD-Prozesse, z. B. Magnetron-Sputtern oder HiPIMS.
Ausstattung
Anlage zur in-situ Diagnostik bei Ionenstrahl-Sputterabscheidung
Anlage zur Bestimmung von Zerstäubungsausbeuten
Anlage zu in-situ Röntgenbeugung während Ionenbeschuss
Anlage zur Messung von Sekundärelektronemission
Hochstrom-Ionenimplanter bis 200 keV
Ansprechpartner:
