Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Simulationen für bessere transparente Oxidschichten

01.09.2014

Touchscreens und Solarzellen basieren auf transparenten leitfähigen Sauerstoffverbindungen. Treten jedoch Fehler in der atomaren Struktur dieser Schichten auf, sinken ihre Transparenz und Leitfähigkeit. Anhand von atomaren Modellen konnten Forscher Fehler in den Schichten identifizieren und Lösungen einwickeln, um sie zu beheben.

Sei es beim Smartphone, dem Tablet-PC oder dem Fahrkartenautomaten – viele Geräte werden heutzutage per Touchscreen bedient. Basis dieser Bildschirme sind spezielle Oxidschichten: Sie sind transparent und leiten elektrischen Strom.


Modell-Ausschnitt einer amorphen Oxidschicht, in die gezielt Wasserstoff-Atome eingebracht wurden. Wasserstoff ist unten rechts als kleinste, hellblaue Kugel zu sehen. © Fraunhofer IWM

Experten sprechen auch von TCO-Schichten, kurz für transparent conducting oxides. Auch auf Solarzellen und in beheizbaren Fenstern leisten diese TCOs gute Dienste. Um mit neuen Produkten und Anwendungen Schritt halten zu können, entwickeln die Hersteller die Schichten ständig weiter:

Sie sollen elektrischen Strom gut leiten und möglichst durchsichtig sein – schließlich sollen die Nutzer beim Display eines Tablet-PCs oder Smartphones durch die Schicht hindurch erkennen, was der Bildschirm anzeigt. Ein zusätzlicher Schimmer durch das Oxid würde dabei stören.

Auch bei Solarzellen darf die Oxidschicht das Sonnenlicht nicht abschirmen, sondern muss es ungehindert in die Zelle lassen. Für neu entwickelte Oxidschichten sind somit Transparenz und Leitfähigkeit der Dreh- und Angelpunkt. Aber auch die Herstellungstemperatur und die Verformbarkeit der Schichten spielen eine Rolle.

Die Atomstruktur realitätsnah simulieren

Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg unterstützen die Hersteller beim Optimieren der Oxidschichten. »Wir haben eine effektive und anwendungsorientierte Methode entwickelt, um die Eigenschaften von TCO-Schichten zu simulieren«, sagt Dr. Wolfgang Körner, Wissenschaftler am IWM.

Der Clou: Die Wissenschaftler simulieren die Atomstruktur der Schichten besonders realitätsnah und unter Berücksichtigung von allen möglichen atomaren Fehlern – egal ob es sich dabei um ungeordnete amorphe oder kristalline, sehr geordnete Strukturen handelt. Anhand dieser Simulationen untersuchen sie, wie gut sich die Elektronen in der Schicht bewegen können, also wie gut das Oxid elektrischen Strom leitet.

»Wir können gezielt nachverfolgen, wie sich die elektronische Zustandsdichte verändert, wenn wir die atomare Struktur der Schicht ändern«, erläutert Körner. Die Forscher können ebenfalls beantworten, ob das Licht absorbiert wird, oder ob es die Schicht ungehindert passiert und sie durchsichtig erscheinen lässt.

»Wir verlagern die Trial-and-Error-Materialver-suche in den Computer und können so viel schneller und kostengünstiger die Eigenschaften abschätzen, die die jeweilige Stoffzusammensetzung des betrachteten TCOs hat«, sagt Wolfgang Körner. In seinen Projekten vergrößert er das Verständnis dafür, wie die jeweiligen Eigenschaften der Oxidschichten entstehen. Dieses Verständnis hilft seinen Industriepartnern, ihre Produktionen zu verbessern oder gewünschte Oxidschicht-Eigenschaften zu erhalten.

Die wesentlichen Defekte, die in solchen Schichten auftreten, konnten die Forscher bereits finden. Die Strukturen lassen sich nie ganz fehlerfrei fertigen: Zwar sollten sie nur aus bestimmten Atomen bestehen, beispielsweise aus Zink, Zinn und Sauerstoff. Doch mogeln sich immer mal wieder auch andere Atome mit hinein, etwa Wasserstoffatome – und verändern somit die Leitfähigkeit und die Transparenz der Schicht.

Doch welche Defekte im atomaren Aufbau mindern die Transparenz? Und wie kann man diese Defekte beseitigen und den Oxiden somit zu mehr Durchsichtigkeit verhelfen? Die Forscher fanden unter anderem heraus, dass es bei bestimmten Oxiden hilft, sie einmal zu geeignet hohen Temperaturen aufzuheizen oder in sauerstoffreicher Umgebung zu erwärmen.

In einem zweiten Ansatz drehen die Wissenschaftler den Spieß um: Sie fügen verschiedene Atome gezielt in die Struktur ein und simulieren, welche Auswirkungen das auf die Eigenschaften hat. Hierbei ist das Ziel, die Leitfähigkeit und die Transparenz mit den passenden »Verunreinigungen« noch weiter in die Höhe zu treiben und so ein Material im Computer designen zu können.

Dr. Wolfgang Körner | Fraunhofer Forschung Kompakt
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2014/September/simulation-fuer-bessere-transparente-oxidschichten.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Im Focus: Breakthrough with a chain of gold atoms

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

Im Focus: Hoch wirksamer Malaria-Impfstoff erfolgreich getestet

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Im Focus: Sensoren mit Adlerblick

Stuttgarter Forscher stellen extrem leistungsfähiges Linsensystem her

Adleraugen sind extrem scharf und sehen sowohl nach vorne, als auch zur Seite gut – Eigenschaften, die man auch beim autonomen Fahren gerne hätte. Physiker der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Welt der keramischen Werkstoffe - 4. März 2017

20.02.2017 | Veranstaltungen

Schwerstverletzungen verstehen und heilen

20.02.2017 | Veranstaltungen

ANIM in Wien mit 1.330 Teilnehmern gestartet

17.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovative Antikörper für die Tumortherapie

20.02.2017 | Medizin Gesundheit

Multikristalline Siliciumsolarzelle mit 21,9 % Wirkungsgrad – Weltrekord zurück am Fraunhofer ISE

20.02.2017 | Energie und Elektrotechnik

Wie Viren ihren Lebenszyklus mit begrenzten Mitteln effektiv sicherstellen

20.02.2017 | Biowissenschaften Chemie