Nanostrukturierte Dünnschichten und Beschichtungen

Viele Errungenschaften des modernen Lebens wären ohne dünne Schichten und Beschichtungen kaum denkbar. Aufgrund ihrer geringen Dicke sind solche Schichten mit blossem Augen kaum erkennbar oder sind durch andere Oberflächenbeschichtungen überdeckt. Ihr Einfluss auf die elektronischen, optischen, mechanischen oder biologischen Eigenschaften von Materialien und Vorrichtungen kann jedoch erheblich sein. Für integrierte elektronische Bauteile oder Speichermedien sind sie beispielsweise eine wesentliche Voraussetzung. Zur Werkstoffkunde und -technik der dünnen Schichten gehört auch die Gestaltung der Grenzflächen. Dabei geht es im Wesentlichen um die Optimierung der Hafteigenschaften und des Verhaltens verschiedener dünner Schichten, so etwa in Dünnschicht-Solarzellen, Verpackungsfolien, elektronischen Bauteilen und vielen anderen Anwendungen. Verbrauchsarme Autos benötigen reibungsarme Motorkomponenten mit eigens dafür konzipierten Dünnschichten. Spezialbeschichtungen kommen wiederum in Werkzeugmaschinen zum Stanzen und Bohren zum Einsatz. Ebenso werden Fenster mithilfe optischer Beschichtungen energieeffizient gemacht oder entspiegelt, um nur einige Anwendungsmöglichkeiten zu nennen.

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AlB2-type of binary superlattices from 4.7 nm PbS nanocrystals and 2.5 nm Mo72V30 clusters
Viele dieser Aspekte gehören zum Repertoire der Empa. Bearbeitet werden dabei insbesondere die folgenden Fragestellungen:
  • Anorganische Dünnschicht-Photovoltaik auf der Grundlage von CIGS-, CdTe- und Perowskit-Solarzellen sowie Hybridzellen: Bei flexiblen Dünnschicht-Solarzellen auf Polymersubstraten hält die Empa derzeit mit einem Wirkungsgrad von 20,4% den Weltrekord.
  • Harte und ultraharte Beschichtungen wie diamantartige Kohlenstoff- sowie piezoelektrische und magnetische Dünnschichten
  • Selbstorganisation von organischen Materialien in dünnen Schichten und oberflächenvermittelte Synthese von atomar präzisen Graphen-Nanostrukturen: Graphen-Nanobänder stossen auf reges Interesse, da sie erhebliche breitenabhängige Bandlücken aufweisen, die für digitale und optoelektronische Bauelemente genutzt werden können, und gleichzeitig die Elektronenkonjugation und die hervorragenden Transporteigenschaften von Graphenen behalten. Erschwert wird die Erkundung der Potenziale von Graphen-Nanobändern jedoch durch ihre begrenzte Verfügbarkeit. Deshalb hat die Empa gemeinsam mit dem Max-Plank-Institut in Mainz eine neuartige Synthesemethode zur Herstellung von atomar genauen Graphen-Nanobändern mit unterschiedlichen Topologien und Breiten mithilfe einer oberflächenassistierten Kopplung von Vorläufermolekülen entwickelt.
  • Nanoporöse funktionale Plasmapolymere
  • Galvanisieren von nanostrukturierten Metallen und Halbleitern
  • Unterschiedliche Beschichtungsverfahren wie u.a. Magnetron-Sputtern, HiPIMS, PACVD, PVD, Lichtbogenverdampfen, Laserablation, Plasmapolymerisation, Hochvakuum-CVD, Plasmasprayen, Galvanisieren, Eloxieren, Sol-Gel-Verfahren, LIGA, Tintenstrahldrucken, ALD etc.