Europaweit einmalige Anlage bei caesar stellt "Materialbibliotheken" her

Hunderte verschiedener Materialien in einem Experiment

Winzige schnurlose Telefone, die auch noch Fotos machen? Was vor 20 Jahren niemand geglaubt hätte, wurde durch neue Materialien und Techniken längst möglich. Die Arbeitsgruppe „Kombinatorische Materialforschung“ des Bonner Forschungszentrums caesar entwickelt systematisch Werkstoffe mit neuen Eigenschaften. Dafür hat sie jetzt eine europaweit einmalige Beschichtungsanlage in Betrieb genommen. Die Wissenschaftler konzentrieren sich auf Funktionswerkstoffe für magnetoelektronische Geräte, miniaturisierte Sensoren und Aktoren sowie für das zukunftsträchtige Feld der Wasserstoffspeicherung.

„Innovative High-Tech-Produkte wie Computer, mobile Kommunikationsgeräte oder Sensoreinheiten für die Automobil- und Umwelttechnik müssen immer mehr Funktionen auf immer engerem Raum integrieren“, erläutert Dr. Alfred Ludwig, Leiter der Arbeitsgruppe und Juniorprofessor an der Ruhr-Universität Bochum. Um den daraus resultierenden kontinuierlichen Bedarf an neuen Werkstoffen zu befriedigen, stellt die Gruppe mit Hilfe kombinatorischer Beschichtungstechniken Materialbibliotheken her: In einem einzigen Experiment werden auf einem Silizium-Wafer hunderte verschiedener Materialien erzeugt. Zur Auswertung dieser Materialbibliotheken werden automatisierte Hochdurchsatz-Verfahren eingesetzt, mit denen pro Tag mehrere hundert Proben parallel oder sequentiell untersucht werden können. Die Chance, interessante Varianten oder auch unerwartete Effekte zu entdecken, ist so besonders hoch.

Für ihre Forschungsarbeiten hat die Gruppe eine spezielle Anlage konzipiert und bauen lassen, die europaweit einmalig ist. Unter extrem sauberen Ausgangsbedingungen (Ultrahochvakuum) erfolgt die Beschichtung der Wafer mit den unterschiedlichen Materialien durch den Einsatz kombinatorischer Sputter-Technologien. In-situ-Maskierungsverfahren ermöglichen sogar die Herstellung kompletter Bauteile, ohne das Vakuum zu brechen. „Eine Besonderheit des Systems liegt darin, dass alle Arbeitsschritte computergesteuert sind. Jedes Experiment ist bis ins letzte Detail wiederholbar“, so Ludwig.

Außerdem arbeiten die Forscher mit einer einzigartigen Technologie, um nach dringend benötigten neuen Werkstoffen für die Wasserstoffspeicherung zu suchen. Im caesar-Reinraum werden mit Mikrostrukturierungsverfahren spezielle Biegebalken-Anordnungen hergestellt, die anschließend kombinatorisch beschichtet werden. In einer eigens entwickelten Apparatur werden die Balken mit Wasserstoff beladen (bis zu 50 bar, 450°C) und beobachtet. Sobald einer dieser Balken Wasserstoff aufnimmt, zeigt er eine Biegung. Um diese Biegungen parallel zu messen, werden die Balken durch eine Laseroptik angestrahlt. Durch die Art und Weise, wie das Licht des Lasers reflektiert wird, lässt sich bestimmen, wo Wasserstoff aufgenommen wurde. Anwendungsfeld ist hier neben der Gassensorik vor allem der Bereich wasserstoffbetriebener Autos (Brennstoffzelle).

Kooperationen mit der Wirtschaft werden von Anfang an in die Forschung einbezogen, außerdem sind die Wissenschaftler immer für neue Projekte offen: „Wenn beispielsweise ein Unternehmen im Rahmen seiner Forschungs- und Entwicklungsarbeit ein spezielles Material benötigt, können wir die entsprechenden Arbeiten durchführen“, meint Ludwig. „Besonders interessant sind Projekte, in denen es um Materialien mit Energiewandlungsfunktionen geht“.

Das internationale Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research) hat 1999 die Arbeit aufgenommen. Mit inzwischen über 220 Mitarbeitern forschen interdisziplinäre Teams in den Bereichen Materialwissenschaften/Nanotechnologie, Biotechnologie und Medizintechnik. Forschung und industrielle Anwendung gehen Hand in Hand: caesar entwickelt innovative Produkte und Verfahren und unterstützt die Wissenschaftler bei Firmenausgründungen.