plasmatechnik

Plasmatechnik

Violettes Licht strahlt im Inneren der hermetisch abgeriegelten Kammer. Der Plasmareaktor ist mit einem Reaktivgas gefüllt. Energiereiche Ionen lösen Atome aus einer Aluminium-Scheibe, dem so genannten Target, und lenken sie gezielt auf ein Substrat. Forscher der Ruhr-Universität untersuchen hier, wie sich Plasma zur Beschichtung von Oberflächen einsetzen lässt.

Mittels Hochfrequenzspannung entsteht ein elektrisches Feld. Die geladenen Teilchen werden beschleunigt bis die Elektronen soviel Energie haben, um andere Atome zu ionisieren. Im Vakuum der Reaktorkammer zündet ein Edelgas das Plasma: „Argon eignet sich aufgrund seiner Masse besonders gut, um Atome aus dem Target herauszuschlagen“, so Stefan Bienholz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik. Dieser Prozess wird als „Sputtern“ (engl. to sputter – zerstäuben) oder Kathodenzerstäubung bezeichnet.

Nanometerdicke keramische Hartstoffschichten

detail Zum Einsatz kommen kapazitiv gekoppelte Multifrequenzplasmen (MFCCP). „Wir verwenden zwei und mehr Quellen mit unterschiedlichen Anregungs-Frequenzen“, berichtet Stefan Bienholz. Die freigesetzten Atome aus dem Festkörper fliegen durch die Kammer und landen auf dem ebenen Beschichtungsobjekt. Hinzu kommen Atome der Reaktivgase wie Stickstoff oder Sauerstoff, die dem Prozessgas Argon beigemischt werden. Nach und nach entsteht daraus eine nanometerdicke keramische Hartstoffschicht, deren Eigenschaften die Wissenschaftler genau charakterisieren können.

Wechselwirkung zwischen Plasma und Oberfläche

Zukünftig sollen die Forschungsergebnisse etwa bei der industriellen Verarbeitung von Kunststoffen zum Einsatz kommen. Die Beschichtung mit Keramik erhöht Lebensdauer und Effizienz der dort eingesetzten Werkzeuge aus Metall. Obwohl die Plasmatechnik bei der Veredelung von Oberflächen weit verbreitet ist, sind die Wechselwirkungen zwischen Plasma und Oberfläche bislang nur wenig erforscht.

Mechanismen der Hochleistungsplasmabeschichtung

Im Sonderforschungsbereich SFB-TR 87 „Gepulste Hochleistungsplasmen zur Synthese nanostrukturierter Funktionsschichten“ arbeiten Forscher der Ruhr-Universität seit Juli 2010 mit Wissenschaftlern der RWTH Aachen und der Universität Paderborn. Gemeinsam wollen sie in den kommenden Jahren ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen auf dem Syntheseweg der Hochleistungsplasmabeschichtung entwickeln.


Fotos: Christian Schilling, Text: Meike Klinck