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Aerosol deposition of functional electrical ceramics at room temperature

Confocal microscope image of a BaTiO3 film on a glass substrate

Since January 2018, we have been presenting an exciting topic in the field of materials science every month.

The “topic of the month” is explained in a simple and understandable way and provides informative insights into the research activities of our department.

The topic of the month in March 2020 comes from the Institute for Glass and Ceramics and has the title:

Aerosol deposition of functional electrical ceramics at room temperature

von Dr. Neamul H. Khansur, M. Sc. Juliana Maier und M. Sc. Udo Eckstein

Worum geht es bei dem Thema?

Als Bestandteil des internationalen Graduiertenkollegs IGK2495 „Energiekonvertierungssysteme: Von Materialien zu Bauteilen“ werden am Lehrstuhl für Glas und Keramik und unserer japanischen Partneruniversität Nagoya Institute of Technology elektromechanische Energieumwandlungssysteme auf Basis bleifreier Piezokeramiken erforscht. Ziel des vorgestellten Teilprojektes ist die Herstellung und Charakterisierung von keramischen Dickschichten zur Gewinnung bzw. Rekuperation elektrischer Energie unter Verwendung des Aerosol Deposition Verfahrens (AD). Ein weiteres Anwendungsfeld ist darüber hinaus die Integration dieser Schichten in Energiespeichern hoher Energie- und Leistungsdichte. Das Aerosol Deposition Verfahren zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • Die Abscheidung des keramischen Pulvers erfolgt bei Raumtemperatur wodurch eine Vielzahl an Materialkombinationen wie Keramik-Metall, Keramik-Polymer oder Keramik-Glas (siehe Abbildung 1) realisiert werden können, welche aufgrund der hohen Sintertemperaturen der Keramik in dieser Form nicht realisierbar wären ohne das Substrat zu schädigen.
  • Die erzeugten Beschichtungen weisen in der Regel eine höhere Dichte und damit elektrische Durchschlagfestigkeit als ihre gesinterten Entsprechungen auf. Dadurch lassen sich insbesondere im Bereich von Energiespeichern höhere elektrische Speicherdichten realisieren oder völlig neue Strukturen auf Basis flexibler Substrate zur Energiegewinnung darstellen.
  • Die mittels des Aerosol Deposition Verfahrens erzeugten Beschichtungen unterliegen prozessinduzierten Eigenspannungen, welche die dielektrischen Kennwerte des Materials im Vergleich zu dem gesinterten Produkt negativ beeinflussen. Um diese Spannungen zu reduzieren gibt es verschiedene Möglichkeiten, die weiterer Untersuchung bedürfen.

Abbildung 1: Konfokal-Mikroskopaufnahme eines BaTiO3-Films auf einem Glas Substrat.

Kernthema ist die Nutzbarmachung des piezoelektrischen Effekts in den oben genannten Dickschichten durch gezielte Modifikation der Beschichtungen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung als auch ihrer Mikrostruktur zur Eigenspannungsrelaxation. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf flexiblen Substraten auf Metall-oder Polymerbasis, da diese ein breites Anwendungsfeld im Bereich der Energiegewinnung eröffnen (Abbildung 2 und 3).

Abbildung 2: Bleifreies Bismut-Kalium-Titanat (BKT) als funktionale Beschichtung auf Kupfer-metallisiertem Polymerträger (Metallisierung ebenfalls über AD-Prozess hergestellt).

Wo findet es Anwendung?

Derzeit findet das Verfahren in der Halbleiterindustrie kommerzielle Verwendung. So konnte die Korrosionsbeständigkeit von metallischen wie keramischen Produktionsmitteln, die mit einem Plasma in Kontakt stehen, durch Beschichtung mit Yttriumoxid unter Anwendung des Aerosol Deposition Verfahrens signifikant erhöht werden. Ferner besteht ein Einsatz zur Herstellung von Verschleißschutzbeschichtungen auf Aluminiumoxidbasis bei mechanisch stark beanspruchten Teilen wie Antriebswellen und Walzen.

Abbildung 3: Flexibles Substrat, hier Aluminiumfolie, die zugleich Trägermaterial und Elektrode darstellt, mit Bariumtitanat AD-Beschichtung; gewickelt (oben), offen (unten).

Was ist weiter geplant?

Es sollen nicht nur die grundsätzliche Eignung verschiedener bleifreier Piezolektrika in Zusammenhang mit dem Abscheideprozess untersucht werden, sondern auch die Eigenschaften daraus abgeleiteter Komposite. Mehrschichtsysteme wie Bismuthferrit/Strontiumtitantat zeigen bereits deutlich verbesserte dielektrische Eigenschaften im Vergleich zur Mischung der beiden Komponenten im identischen Volumenverhältnis (Abbildung 4).

Abbildung 4: Eigenschaftsverbesserung durch Mehrschichtsystem (composite film) aus Bismuthferrit und Strontiumtitantat gegenüber volumengleicher Mischung (film) der Einzelkomponenten.

Zur den Personen (von links):

Udo Eckstein hat 2017 sein Masterstudium in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik abgeschlossen und ist seit 2018 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Glas und Keramik (WW3). Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der Charakterisierung von Eigenspannungen und den daraus resultierenden dielektrischen Eigenschaften von Funktionsmaterialien, welche mit dem Aerosol Deposition Verfahren hergestellt werden.

Dr. Neamul Hayet Khansur schloss 2009 sein Masterstudium an der Korea National University of Transportation ab und war zwischen 2010 und 2011 als Entwicklungsingenieur bei INOVA Inc. Korea tätig bevor er an der University of New South Wales in Sydney im Jahre 2015 promovierte. Seit 2016 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Glas und Keramik. Seine Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich der Synthese und Charakterisierung von keramischen Funktionsmaterialen sowie der Untersuchung von Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen.

Juliana Maier studierte ebenfalls Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und schloss 2019 ihr Masterstudium ab. Seit Januar 2020 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Glas und Keramik (WW3). Sie forscht im Rahmen des Graduiertenkollegs IGK2495 an mittels Aerosol Deposition hergestellten bleifreien, ferroelektrischen Schichten, welche für Systeme zur Umwandlung von Energie eingesetzt werden sollen.

 

 

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