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Department Metallkunde und Werkstoffprüfung

Plasma- und Oberflächentechnik

Dr. Robert Franz

In heutzutage gebräuchlichen Methoden zur Herstellung funktionaler dünner Schichten, wie Kathodenzerstäubung oder Lichtbogenverdampfung, werden Gasentladungen oder Plasmen eingesetzt. Ein Materialabtrag der typischerweise metallischen Kathoden wird hierbei durch Ionenbeschuss mit energetischen Ionen aus dem Plasma (Kathodenzerstäubung, 'magnetron sputtering') oder durch Verdampfen in Folge sehr starker lokaler Aufheizung im sogenannten Kathodenbrennfleck (Lichtbogenverdampfung, 'cathodic arc deposition') erzielt. Die von der Kathodenoberfläche abgelösten Atome oder Ionen können dann auf in den Plasmastrom eingebrachten Substraten kondensieren. Durch die Hinzugabe von Reaktivgasen wie Sauerstoff, Stickstoff oder kohlenstoffhaltige Gase können keramische Schichten in einem breiten chemischen Zusammensetzungsbereich abgeschieden werden.  

Eine genaue Kenntnis der Plasmaeigenschaften, insbesondere der Wechselwirkungen zwischen Kathode und Plasma, ist von entscheidender Bedeutung, um optimale Wachstumsbedingungen für die dünnen Schichten einzustellen. Hierbei müssen auch Effekte, die vom Vorhandensein verschiedener Elemente in den Kathoden (Durchmischung) in Verbindung mit möglichen Reaktionen mit dem Hintergrundgas (Kathodenvergiftung) herrühren, beachtet werden.  

Die abgeschiedenen Schichten werden dann im Detail hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften analysiert, um ihre Eignung für die angedachte Anwendung als zum Beispiel optische, verschleißbeständige, transparente leitfähige, thermochrome, elektrochrome, dekorative oder photokatalytische Schichten sicherzustellen.

Aktuelle Projekte:

2016-2019: FWF-FWO Joint Project "Sputter- und Arcbeschichtung neuartiger Legierungen (SPADONA)" in Kooperation mit Universität Gent, Belgien.

2015-2018: FWF Einzelprojekt "Vacuum arc plasma from NbAl cathodes" in Kooperation mit Lawrence Berkeley National Laboratory, USA.

2015-2016: ERA-NET SIINN (FFG NANO-EHS) "The effect on human health of Ag/TiO2NM-treated leathers for footwear industry" mit den Projektpartnern Leather and Footwear Research Institute, Rumänien, (Koordinator) und Universidade do Minho, Portugal.

2015-2017: FFG BRIDGE Frühphase "High-temperature mechanical wear resistance of hard coatings" mit den Projektpartnern PLANSEE SE, Österreich, und University of Southampton, Großbritannien. 

Abgeschlossene Projekte:

2011-2014: Erwin Schrödinger Stipendium "Lichtbogenplasma von AlCr Kathoden für reaktive Beschichtung" (inklusive 18-monatiger Aufenthalt am Lawrence Berkeley National Laboratory, USA)

Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung funktionaler dünner Schichten

Erosion einer AlCr Kathode im Lichtbogenplasma