In-situ TEM-Untersuchung des Schädigungsverhaltens von Ru-Al-Elektroden für Hochtemperatur SAW-Bauelemente auf CTGS-Substraten unter Einwirkung von Temperatur und mechanischer Wechselbelastung unter Verwendung passivierter TEM-Lamellen

• Antragstellerin: Dr. Marietta Seifert
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470028346

Es besteht ein großer Bedarf an drahtlosen Hochtemperatursensoren zur Prozessüberwachung bis 900°C, auch unter aggressiven Atmosphären und an schwer zugänglichen Orten, damit die Prozesse und Ausrüstungsteile (z.B. Turbinenschaufeln) überwacht werden können. Für solche Sensoren werden sehr belastbare Substrate und Metallisierungen benötigt, da bei diesen hohen Temperaturen (HT) Prozesse wie Oxidation und Kriechen stark begünstigt sind. Ein sehr vielversprechendes System stellt die RuAl-Metallisierung in Kombination mit dem HT-stabilen piezoelektrischen Ca3TaGa3Si2O14-Substrat dar. Die aus diesen Materialien hergestellten Sensoren arbeiten auf Basis des Oberflächenwellenprinzips (SAW), so dass die Metallisierung nicht nur thermischen sondern auch hochfrequenten (HF) mechanischen Belastungen durch die Oberflächenwellen ausgesetzt ist. Um die dadurch verursachten und zu Sensorversagen führenden Schädigungsmechanismen zu verstehen und die Elektrodensysteme entsprechend zu verbessern, sind lokale Untersuchungen erforderlich, welche die Ausgangspunkte auftretender Schädigungen aufdecken. Die dafür notwendigen nanoskaligen in-situ Untersuchungen bei thermischer und HF mechanischer Belastung werden in diesem Projekt erstmals durchgeführt.Zur Gefügeuntersuchung mit einer entsprechend hohen Ortsauflösung wird die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) verwendet. In Kombination mit einem speziellen Probenhalter und einer passend zu findenden Probengeometrie soll in-situ das Aufheizen der Proben und das Anlegen einer HF mechanischen Wechselbelastung erfolgen. Besonders ist dabei, dass die HF mechanische Belastung der Elektrode durch Ausnutzen des piezoelektrischen Effekts des SAW-Substrats erfolgt. Darüber hinaus sollen die realen thermisch verursachten Diffusionsbedingungen in den Elektroden in der dünnen TEM-Probe so nachgestellt werden, dass eine möglichst gute Vergleichbarkeit mit realen Einsatzbedingungen erreicht wird. Dazu wird zusätzlich eine neue Vorgehensweise zur Passivierung der offenen Flächen der elektronentransparenten Proben erarbeitet, um eine Diffusion an der Oberfläche der Lamellen während der in-situ Wärmebehandlung zu unterdrücken. Zur Abschätzung der Übertragbarkeit der an den in-situ Proben erzielten Ergebnisse auf die Verbesserung der realen Bauelemente erfolgen ergänzend FEM Simulationen.Mit den kombinierten in-situ Techniken wird in diesem Projekt ein bisher noch nicht zum Einsatz gekommenes Verfahren zur Untersuchung der in den Elektroden ablaufenden Gefügeveränderungen erarbeitet und genutzt, um einen Zugang zu den lokalen Ursachen dieser anwendungsschädlichen Vorgänge zu erhalten. Für den zukünftigen industriellen Einsatz dieser RuAl-basierten Elektroden sind die gewonnenen Erkenntnisse über die Belastungsvorgänge relevant. Das erweiterte Grundlagenverständnis sowie die erarbeiteten Modelle der funktionsstörenden Schädigungsprozesse bilden eine wichtige Basis für die Verbesserung der HT-Stabilität von SAW-Bauelementen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen