Nanostrukturierte Absorptions- und Emissionsschichten für thermische Infrarotsensoren und Infrarotstrahler
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt hatte das Ziel, poröse Dünnschichten für infrarotoptische Absorptionsund Emissionsschichten mit dem Verfahren der Schrägwinkelbedampfung (GLAD) herzustellen und den Einfluss der technologischen Parameter auf die Schichtstruktur und die optischen Eigenschaften zu untersuchen. Im Fokus der Untersuchung standen vor allem hochtemperaturstabile Dünnschichten, die technisch insbesondere für die Verbesserung der Strahlungsabgabe von thermischen Infrarotemittern von hohem Interesse sind, da die abgegebene Strahlungsleistung proportional zum Emissionsgrad der strahlenden Fläche und zur vierten Potenz der Strahlertemperatur ist. Aus diesem Grund wurde das hochschmelzende Material Tantal ausgewählt, da es einen der höchsten Schmelzpunkte aller Metalle aufweist und mit dem Elektronenstrahlverdampfer sehr gut verarbeitet und als Dünnschicht abgeschieden werden kann. Im ersten Schritt wurden dünne Tantalschichten bei verschiedenen Abscheideparametern mit dem Elektronenstrahlverdampfer hergestellt. Die umfangreichen Kombinationsmöglichkeiten der Abscheideparameter Abscheidewinkel, Substratrotationsgeschwindigkeit und Abscheiderate machte eine Eingrenzung dieses Parameterraums notwendig. Anschließend wurden die Proben hinsichtlich ihrer Schichtstruktur charakterisiert. Hier stellte sich heraus, dass die Gestalt der abgeschiedenen Mikrostruktur (Spiralen, Schrauben und Säulen) erwartungsgemäß von dem Verhältnis aus Abscheiderate und Substratrotationsgeschwindigkeit, dem sogenannten Umdrehungswachstum, abhängig ist. In der Folge konnten die Bereiche des Umdrehungswachstums, die zu den genannten Mikrostrukturen führen, quantifiziert werden. Weitere Untersuchungen umfassten den Säulenabstand und die schichttiefenabhängige Porosität in Abhängigkeit vom Umdrehungswachstum und vom Abscheidewinkel. Hier wurde deutlich, dass die Schichten umso poröser sind, je höher der Abscheidewinkel ist, da sich der Säulenabstand der Strukturen durch den Abschattungsmechanismus mit steigendem Abscheidewinkel stark vergrößert. Die optischen Eigenschaften der Schichten, wie der spektrale Reflexionsgrad, wurden im infraroten Wellenlängenbereich von (2…20) µm betrachtet. Hier wird deutlich, dass niederporöse Schichten (z.B. bei einem Abscheidewinkel von 80°) im für die Gasanalyse wichtigen Spektralbereich von (8…14) µm eine deutlich größere Reflexionsminderung erreichen, als höherporöse Schichten. Das Fazit dieser Untersuchungen ist, dass der Reflexionsgrad von Tantal mit Hilfe der GLAD-Technologie signifikant reduziert wird, was einen hohen Emissions- bzw. Absorptionsgrad zur Folge hat. Im letzten Schritt wurde eine thermische Strahlungsquelle mit einem Heizleiter aus einer dünnen Tantalfolie, welche mit einer Emissionsschicht aus Tantal beschichtet ist, aufgebaut. Im Vergleich mit dem sehr häufig in Gasmessgeräten eingesetzten Dünnschichtstrahler MicroHybrid JSIR350 konnten die höhere Strahlungsleistung und Strahlungsenergieeffizienz des Tantal-Strahlers auf Grund seiner sehr hohen Betriebstemperatur von über 1000 °C dargelegt werden. Weiterhin konnte hier die Hochtemperaturstabilität und Haftfestigkeit der Tantal-GLAD-Schicht nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Efficient thermal infrared emitter with high radiant power. J. Sens. Sens. Syst. 4 (2015), S. 313 – 319
T. Ott, M. Schossig, V. Norkus und G. Gerlach
(Siehe online unter https://doi.org/10.5194/jsss-4-313-2015) - „Efficient thermal infrared emitter with high radiant power“. In: Proceedings of AMA Conferences 2015 with Sensor and IRS2. Hrsg. von G. Gerlach und R. Lerch. Nürnberg, Mai 2015, S. 934 – 937
M. Schossig , T. Ott , S. Hüller , V. Norkus und G. Gerlach
(Siehe online unter https://doi.org/10.5162/irs2015/3.4) - Micro-heating conductor. Patent EP 3491887. 2017
T. Ott und M. Schossig
- Thermal modulation behavior of infrared emitters with cantilevered heating elements. In: Proceedings of AMA Conferences 2017 with Sensor and IRS2. Hrsg. von G. Gerlach und R. Lerch. Nürnberg, Mai 2017, S. 774 – 778
T. Ott, M. Schossig und G. Gerlach
(Siehe online unter https://doi.org/10.5162/irs2017/i2.3) - Convective losses of thermal infrared emitters with cantilevered heating elements. Sensors and Actuators A 279 (2018), S. 416 – 423
T. Ott, M. Schossig und G. Gerlach
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.06.039)
