Funktionalisierung von Oberflächen durch Sputtertechnologie

Mittels Sputtertechnologien lassen sich Oberflächen verschiedener Bauteile individuell funktionalisieren. Das Fraunhofer IFAM besitzt dabei eine besondere Kompetenz zum Sputtern in Flüssigkeiten unter Verwendung des sogenannten VERL-Verfahrens. Dies ermöglicht die Herstellung von Nanopartikeln für druckbare Tinten und Pasten.

Mittels Sputtertechnologien lassen sich Schichten und Mehrlagenschichtsysteme im Vakuum effizient auf großflächige Oberflächen aufzubringen. So eigenen sich Sputterverfahren vor allem zum präzisen Abscheiden dünner, elektrischer und optischer Funktionsschichten im industriellen Maßstab. Bauteiloberflächen lassen sich unter Verwendung von Sputterverfahren (PVD-Prozessen) kundenspezifisch funktionalisieren. Mittels Sputterverfahren lassen sich Oberflächen metallisch, mit Metalloxiden oder Legierungen beschichten. Unter Verwendung eines Co-Sputterprozesses können verschiedene Materialien gleichzeitig abgeschieden werden. Abhängig von der jeweiligen Anwendung lassen sich dichte oder poröse Schichten flächig abscheiden und Dichtegradienten erzielen. 

Funktionalisierung von Oberflächen

Das Fraunhofer IFAM besitzt besondere Kompetenz zum Sputtern in Flüssigkeiten unter Verwendung des VERL-Verfahrens (Vapor Evaporation on Running Liquids): Eine Möglichkeit der physikalischen Herstellung verdruckbarer Legierungstinten ist eine chemisch reine Abscheidung von Metallen oder Metalllegierungen aus der Gasphase in verdruckbare Flüssigkeiten. 

Die physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition, engl. kurz „Sputtern“) von metallischen Materialien und Legierungen wird im Fraunhofer IFAM mit einer Variante des VERL-Verfahrens durchgeführt, welches zur Herstellung von Nanodispersionen in Diethylenglykol zur Anwendung kommt. Hierbei werden Nanopartikel direkt aus der Gasphase in flüssige Medien abgeschieden. Das Verfahren gestattet insbesondere die Abscheidung von chemisch sehr reinen nanoskaligen Metallen und Metalllegierungen in flüssige verdruckbare Matrizes, wobei Flüssigkeiten mit Dampfdrücken von bis zu 10-2 mbar verwendet werden können. Da die Partikel direkt in die Flüssigkeit abgeschieden werden, ist der Trend zur Oxidation und Agglomeration deutlich reduziert. Die Partikel weisen Durchmesser von 5 nm bis 50 nm und eine gleichmäßige, sphärische Struktur auf. 

Kombination mit Functional Printing: Vielseitige Anwendungen

In Kombination mit Technologien des Functional Printing eröffnet die Sputtertechnologie vielfältige Einsatzmöglichkeiten zur Herstellung elektronischer Bauteile und Komponenten. Durch Sputtern von Nanopartikeln in Flüssigkeiten lassen sich nanoskalige Tinten (z. B. CuNiMn) herstellen, die mit digitalen Drucktechnologien wie Tintenstrahl- und Aerosoldruck gedruckt werden können. Tinten aus speziellen Legierungen für digitale Drucktechniken eröffnen Möglichkeiten für kostengünstige neue Produkte im Bereich der gedruckten Elektronik und Sensorik in den unterschiedlichsten Branchen. Dies ist besonders bei kleinen Losgrößen und damit auch bei personalisierten Produkten von Vorteil, da keine Masken und Ätzprozesse benötigt werden. Die einfache Layoutgestaltung per CAD ermöglicht eine schnelle kundenspezifische Individualisierung der Produkteigenschaften. Darüber hinaus zeichnen sich digitale Druckverfahren in ihren Eigenschaften als additive Verfahren durch Energie- und Ressourceneffizienz aus. Dies eröffnet ein großes Potenzial für deutliche Kostenvorteile gegenüber nicht-additiven Technologien wie lithographischen Verfahren. Darüber hinaus bietet der Einsatz des Aerosoldrucks die Möglichkeit, Sensorstrukturen direkt auf die 3D-Bauteiloberflächen aufzubringen.

Gesputterte hochporöse Dünnschichten kommen in vielen Anwendungsbereichen zum Einsatz: 

• Rußoxidation in KFZ-Katalysatoren (z. B. Pt, Co)
• Katalysatoren für Kohlenmonoxid-Oxidation (z. B. Au)
• Thermisch und mechanisch stabile Metall-Keramik-Komposite im Co-Sputterprozess (z. B. Pt-Al2O3-Co)
• Selbstreinigende Oberflächen durch Photo-Oxidation (z. B. Ag-TiO₂)
• Einsatz in Gassensoren für die Wasserstoffdetektion (z. B. Pt)

Die Funktionalisierung ist eine Kernkompetenz des Fraunhofer IFAM. In der Arbeitsgruppe »Functional Printing« entwickelt Dr. Ingo Wirth unter Verwendung von PVD-Prozessen nanoskalige verduckbare Tinten. In der Abteilung »Smart Systems« verfügt die Gruppe über umfassendes Know-how und neueste Technologien zum Sputtern in Flüssigkeiten unter Verwendung des VERL-Verfahrens. Die Anwendungsfelder reichen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bei Unternehmen aus dem Bereich Tintenherstellung, Anlagentechnik, Mikrosystemtechnik, Elektronik, Sensortechnik oder Leiterplattentechnik zu einer Vergrößerung des Produktportfolios und tragen damit zur Erweiterung bestehender oder zur Erschließung neuer Geschäftsfelder bei.