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Forschungsgebiete der Gruppe Funktionschichten

In der Gruppe Funktionsschichten werden weichmagnetische Dünnschichten und Funktionsschichten für die Lithium-Ionenspeichertechnologie für Anwendungen im Bereich der Mikrosystemtechnik, Nanotechnologie und Energietechnik mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) entwickelt, realisiert und bezüglich des Aufbaus und der Eigenschaften charakterisiert. Als Herstellungsverfahren wird das reaktive und nichtreaktive Magnetronkathodenzerstäuben als DC und r.f.-Prozess verwendet. Moderne Lithographie- und Ätztechniken erlauben die Strukturierung der Schichten bzw. die Herstellung von Mikrobauteilen mittels chemischem (RIE) oder physikalischem Plasmaätzen mit hoher Genauigkeit. Die Schichtcharakterisierung bezüglich des Aufbaus erfolgt mittels Lichtmikroskopie, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, XRD, XRR,  sowie Ramanspektroskopie und zur Bestimmung der Zusammensetzung die Mikrosonde und HF-GDOS.

   

 Hellfeldbild (TEM) einer Mehrlagenschicht
bestehend aus FeCo (20nm) und TiN (63nm) Lagen

 Dunkelfeldbild (TEM) einer Fe-Co-Hf-N- Schicht Domänenausbildung einer ferromagnetischen
Mikrostruktur (20 x 20 μm) gemessen mit einem magnetischen Kraftmikroskop (MFM)

Weichmagnetische, dünne Schichten für Hochfrequenzanwendungen bis in den unteren GHz-Bereich werden als Einlagen- oder Viellagenschichten im PVD-Magnetronsputter-Verfahren mit Schichtdicken bis zu einigen Mikrometern hergestellt. Die Materialauswahl der Schichten erfolgt u.a. unter dem Aspekt der CMOS-Kompatibilität. Dabei werden die für die Hochfrequenztauglichkeit benötigten Schichteigenschaften (z.B. uniaxiale Anisotropie in der Schichtebene) bei Temperaturen zwischen 400°C und 600°C in einem statischen Magnetfeld eingeprägt. Als Materialbasis dienen Fe-Co-Re-NM-Composite mit Re=Refraktärelementen (Ta, Hf) und NM=Nichtmetalle wie N, C, O. Die Arbeiten decken grundlagen- sowie anwendungsorientierte Forschungsaktivitäten im Bereich des Hochfrequenzmagnetismus von Ein- und Viellagenschichten ab. Messplätze zur Bestimmung der Magnetisierung (VSM, MOKE, MFM) und des Hochfrequenzverhaltens (HF-Permeameter) für die magnetische und hochfrequenztechnische Charakterisierung der Schichten bis in den GHz-Bereich stehen zur Verfügung. Die Arbeiten werden mit Hilfe theoretischer Modelle und durch mikromagnetische Modellierung (z.B. OOMMF) begleitet.

 
 Komplexe frequenzabhängige Permeabilität einer Fe-Co-Hf-N-Schicht und berechnete Präzessionstrajektorie des magnetischen Moments

Funktionsschichten für  Lithium-Ionenspeicher In diesem Bereich werden Kathodenmaterialien, Anodenmaterialien und Feststoffelektrolytmaterialien als Dünnschichten entwickelt. Die untersuchten Kathodenmaterialien sind dabei Lithium Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur wie z.B. LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2 oder mit Spinellstruktur, wie z.B. LiMn2O4. Als Dünnschicht-Feststoffelektrolyte werden amorphe Li-Gläser und als Anodenmaterial Konversionsmaterialien wie z.B. SnO2 erforscht. Ziel der Arbeiten ist die Realisierung einer vollständigen Dünnschicht-Festkörper-Zelle. Ein Schwerpunkt der Charakterisierung ist die Bestimmung der intrinsischen Eigenschaften der reinen Materialien ohne Verunreinigung durch organische oder kohlenstoffbasierte Zusätze zur Leitfähigkeitserhöhung sowie die Bestimmung der elektronischen und ionischen Leitfähigkeit, des Lade-, Entladeverhalten und der Zyklenstabilität in Batterieanwendungen.

   
Bruchgefüge einer LiCoO2 Schicht   Schematische Darstellung der Funktion einer Lithium Ionen Batterie
   
 Galvanostatische Lade- und Entladekurve  Cyclovoltammetrie zur Untersuchung der elektrochemischen Vorgänge während des Lade-/Entladevorgangs