Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese nanostrukturierter Funktionsschichten

Die ständige Weiterentwicklung von Plasmaprozessen ermöglicht, dass verpackte Produkte noch langlebiger, Handys noch kleiner und PCs noch leistungsfähiger werden. Maßgebend für diesen Erfolg sind die enge Verzahnung der Plasmadiagnostik mit der Prozesstechnologie, die in-situ Kontrolle der prozessrelevanten Parameter sowie deren Korrelation mit den erzielten Strukturen. Hier setzt der SFB-TR 87 an, durch Bündelung der Expertisen der auf den Gebieten der Plasmaphysik und Plasmatechnik sowie Werkstoffwissenschaften und Oberflächentechnik ausgewiesenen Standorte RWTH Aachen University, Ruhr-Universität Bochum und Universität Paderborn, Schichtsysteme mit einzigartigen tribologischen Eigenschaften auf Metallsubstraten sowie Barriereeigenschaften auf Kunststoffsubstraten zu erforschen.

So umfasst der SFB-TR 87 eine „Metallroute“, in der im Wesentlichen PVD-Beschichtungen auf Komponenten in Kunststoffverarbeitungsmaschinen Thema sind. In der „Kunststoffroute“ werden plasma-, prozess- und werkstofftechnische Expertisen genutzt, um Kunststoffe mithilfe von PECVD-Beschichtungen für Barriereanwendungen auszurüsten. Die Grundlagen der Plasmaprozesse (Projektbereich C, „Grundlagen“, siehe Mitte der schematischen Darstellung) bilden die Basis für die Methodenentwicklung des SFB-TR 87. Diese drei Routen verfolgen gemeinsam das Ziel, ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen auf dem Syntheseweg der Hochleistungsplasmabeschichtung zu erreichen, um diese Prozesse vorhersagbar zu machen.

Forschungsziel des SFB-TR87

Um das grundlegende Verständnis der Mechanismen auf dem Syntheseweg der Hochleistungsplasmabeschichtung zu erreichen, wird die neueste, teilweise selbstentwickelte Quellentechnologie zum Einsatz gebracht und mit einem sehr breiten Spektrum an quantitativen, ebenfalls teilweise neu entwickelten Plasmadiagnostiken, unterstützt durch Modellbildung und einmalige Einzelteilchenexperimente, charakterisiert. Ziel ist es weiterhin, die Zusammenhänge zwischen den Werkstoffeigenschaften und den Plasmaparametern zu erforschen und zur Plasmakontrolle, Schichtentwicklung und in-situ Schichtkontrolle einzusetzen. Auf diese Weise wird das bislang vorherrschende empirische Vorgehen überwunden und ein physikalisch und chemisch basiertes Prozessverständnis entwickelt.

Teilprojekte die am IKV erforscht werden

Die Arbeiten des IKV im Teilprojekt B1 des SFB-TR 87 sind auf zwei Ziele fokussiert. Das eine Ziel ist es, die Zusammenhänge zwischen der Morphologie und der Funktionalität plasmapolymerer großflächiger Beschichtungen und den entsprechenden Plasmaprozessen zu erforschen und zu beschreiben. Das andere Ziel ist es, diese grundlegenden Erkenntnisse über die Beschichtungsprozesse auf großflächige Kunststoffsubstrate zu übertragen und in die Anwendung zu transferieren. Dazu werden nanostrukturierte Funktionsschichten zur Verbesserung der Gasbarriereeigenschaften (insbesondere O2, H2O) auf Kunststoffen (Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP)) abgeschieden. Zum einen wird die Schichtentwicklung am IKV direkt an großflächigen Substraten gemacht, zum anderen werden Schichtsysteme der anderen Teilprojekte hochskaliert. Das Teilprojekt bildet damit die Schnittstelle zwischen grundlagenorientierter Schichtentwicklung und großflächiger Anwendung.

Veröffentlichungen:

(1)          H. Behm, K. Bahroun, H. Bahre, D. Kirchheim, F. Mitschker, N. Bibinov, M. Böke, R. Dahlmann, P. Awakowicz, Ch. Hopmann, J. Winter: Adhesion of Thin CVD Films on Pulsed Plasma Pre-Treated Polypropylene. Plasma Processes and Polymers 11 (2014) 5, S. 418-425 (B1, B2, B4, B5)

(2)          H. Bahre, H. Behm, D. Grochla, M. Böke, R. Dahlmann, Ch. Hopmann, A. Ludwig and J. Winter, “Film stress of amorphous hydrogenated carbon on biaxially oriented polyethylene terephthalate“, Plasma Process. Polym., (2015), 896-904, doi: 10.1002/ppap.201500045 (B2, B1, C2)

(3)          A. Bulusu, S. Graham, H. Bahre, H. Behm, M. Böke, R. Dahlmann, Ch. Hopmann, and J. Winter, “The mechanical behavior of ALD-polymer hybrid films under tensile strain“, Adv. Eng. Mater. 17, (2015), 1057, doi: 10.1002/adem.201400431 (B2, B1)

(4)          D. Kirchheim, M. Jaritz, R. Dahlmann, Ch. Hopmann: Wirkmechanismen bei der Barriereausrüstung von Kunststoffen mit Hilfe von PECVD. Vakuum in Forschung und Praxis (2016)

(5)          Ch. Hopmann, R. Dahlmann, C. Windeck, D. Kirchheim: Barriereverbesserung für Folien durch dünne PECVD-Multilayer. 28. Internationales Kolloquium Kunststofftechnik. Aachen, 2016, ISBN:978-3-8440-4033-3

(6)          M. Jaritz, H. Behm, D. Kirchheim, F. Mitschker, R. Dahlmann, Ch. Christian, P. Awakowicz: Influence of UV- and VUV-radiation of argon- and oxygenplasma pretreatments on the interface of PECVD-coatings and polypropylene (Hochgeladen; Article reference: JPhysD-109481)

(7)          F. Mitschker, S. Steves, M. Gebhard, M. Rudolph, L. Schücke, D. Kirchheim, M. Jaritz, M. Brochhagen, C. Hoppe, R. Dahlmann, M. Böke, J. Benedikt, I. Giner, T. de los Arcos, Ch. Hopmann, G. Grundmeier, A. Devi, P. Awakowicz: Analysis of Coating Defects in Permeation Barrier Films deposited on PET. Plasma Processes and Polymers (Hochgeladen)

(8)          H. Behm, M. Jaritz, D. Kirchheim, R. Dahlmann, Ch. Hopmann: Influence of a substrate bias on the adhesion of silicon organic PECVD-films on polypropylene. ANTEC 2015 - Proceedings of the Technical Conference & Exhibition. Orlando, USA, 2015

(9)          D. Kirchheim, K. Bahroun, H. Behm, M. Jaritz, F. Mitschker, P. Awakowicz, R. Dahlmann, Ch. Hopmann: Influence of Intermediate Layer Type and Thickness and Barrier Properties of Multilayer PECVD Barrier Coatings on PET. ISPC 22nd International Symposium on Plasma Chemistry, Antwerpen, Belgium, 09.06.2015

(10)        D. Kirchheim, M. Jaritz, R. Dahlmann, Ch. Hopmann: Barrieren ohne Grenzen. K-Zeitung, 07.08.2015

Dr. rer. nat. Rainer Dahlmann

Wissenschaftlicher Direktor Leiter des Zentrums für Kunststoffanalyse und -prüfung +49 241 80-25928 rainer.dahlmann@ikv.rwth-aachen.de

Weitere Informationen

IM SFB-TR87 forschen Institute der Ruhr-Universität Bochum, der RWTH Aachen und der Universität Paderborn an unterschiedlichen Teilprojekten. Mehr zu allen Projekten des SFB erfahren Sie auf der Webseite des SFB-TR87.

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