Electrical and structural stability of highly strain-sensitive metal-carbon thin films
Final Report Abstract
Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit den Eigenschaften von granularen, metallbasierten und kohlenstoffhaltigen Sensorschichten sowie deren mikroskopischer Strukturen und Abhängigkeiten. Dünnschichten mit der Bezeichnung Ni-C (Nickel-Kohlenstoff Schichten) können mittels reaktiver Beschichtungsprozesse aus Metallen, in diesem Fall Nickel, und einer Beimischung von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen hergestellt werden. Nach Wahl der Schichtzusammensetzung, der Präparationsparameter und der thermischen Nachbehandlung entwickeln sich einerseits unterschiedlich hohe Dehnungsabhängigkeiten des elektrischen Widerstands und andererseits interessante mikroskopische Strukturen. Solche Sensorschichten sind für die Herstellung von Drucksensoren und anderen Sensoren von Interesse, da sie sehr viel höhere Sensorempfindlichkeiten als Schichten aus Metalllegierungen aufweisen. Nachteilig ist allerdings eine störende zeitliche Veränderung (Kriechen und Drift) des Widerstands unter Last und Temperatur. Das Forschungsprojekt hat deshalb das Ziel, die zeitlichen Nachwirkungen unter Last und Temperatur bei Erhalt der hohen Sensorempfindlichkeit zu analysieren und möglichst zu eliminieren. Die Untersuchungen zeigen eindeutig, wie solche Sensorschichten elektrisch stabilisiert werden können. Der teilweise Austausch von Nickel durch Chrom bewirkt eine deutliche Stabilisierung. Das Kriechen und die Drift können sehr effektiv reduziert werden, allerdings auf Kosten der hohen Dehnungsabhängigkeit. Ein guter Kompromiss unter Erhalt einer höheren Empfindlichkeit wird für Schichten mit Nickel:Chrom Verhältnisses von 90%:10% bis 50%:50% identifiziert, die durch optimierte Temperaturbehandlungen stabilisiert werden. Die stabilisierende Wirkung von Chrom wird mittels physikalischer Analytik aufgedeckt. Durch den Temperprozess werden Entmischungsprozesse im Schichtmaterial angetrieben. Während das Schichtinnere an Chrom und Kohlenstoff verarmt, bilden sich Randschichten aus. Kohlenstoff lagert sich randnah ab, nach außen abgeschlossen wird die Schicht durch Chrom, das an Luft zu stabilen Chromoxidschichten oxidiert, welche offenbar chemisch sehr stabile Schutzschichten darstellen und vor weiteren Reaktionen und Korrosionserscheinungen schützen. Wie die bisherigen Untersuchungen zeigen, bewirkt nur der teilweise Ersatz von Nickel durch Chrom eine deutliche elektrische Stabilisierung der hochempfindlichen Sensorschichten aus in die Ni-C. Durch die Kombination von elektrischen Sensormessungen auf der einen Seite und mikroskopischen Analysemetoden wie Elektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie sowie weiteren Methoden auf der anderen Seite, kann die Zusammensetzung und Struktur der Dünnschichten mit den elektrischen Sensoreigenschaften korreliert werden. Die erzielten Ergebnisse können zur weiteren Verbesserung von Sensorschichten genutzt werden.
Publications
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Granular metal–carbon nanocomposites as piezoresistive sensor films – Part 1: Experimental results and morphology, J. Sens. Sens. Syst., 7, 1–11, 2018
G. Schultes, H. Schmid-Engel, S. Schwebke, U. Werner
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Granular metal–carbon nanocomposites as piezoresistive sensor films – Part 2: Modeling longitudinal and transverse strain sensitivity, J. Sens. Sens. Syst., 7, 69-78, 2018
S. Schwebke, U. Werner, G. Schultes
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Piezoresistive granular metal thin films of platinum–boron nitride and platinum–alumina at higher strain levels, Journal of Applied Physics 124, 235308 (2018)
S. Schwebke, S. Winter, M. Koch, G. Schultes
