Sherardisieren von Stahl:

(Kooperation mit der Firma Impreglon) Hierbei geht es um einen Zinkkorrosionsschutz von Stahl, der im Gegensatz zum Feuerverzinken (Stahl in Zinkschmelze) über die Gasphase erfolgt. Mit diesem Verfahren können selbst Gewinde oder auch andere komplizierte Bauteile verzinkt werden. Im Rahmen des Projektes werden die Phasen untersucht und charakterisiert, die sich während des Sheradisieren bilden. Ziel ist es auch unter möglichst geringen Energieeinsatz mechanisch belastbare Schichten mit guten Korrosionseigenschaften zu erhalten. Dabei steht insbesondere auch das Zinkpulver im Fokus des Interesses, welches im Sherardisierverfahren eingesetzt wird. Folgende Untersuchungsmethoden werden sie dabei kennenlernen: Metallographische Verfahren zur Sichtbarmachung verschiedener Phasen, Raster- und Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (REM, TEM), Korrosionsmessungen mit einem Potentiostaten/Galvanostaten, Simulationen zur Phasenbildung im Fe-Zn System. Derzeit stehen wir in weiteren Kontakt mit großen Automobil-Zulieferfirmen wie Benteler und Impreglon, die großes Interesse an diesem Verfahren haben. Dies ist ein Vorhaben, das vom Land NRW und der EU gefördert wird.

Atomares Mischen in Halbleitern

Die Dotierung von Halbleitern wie Silizium und Germanium erfolgt überwiegend durch Implantation des gewünschten Dotierstoffes und anschließender thermischer Behandlung zur Beseitigung der Implantationsschäden und elektrischen Aktivierung der Dotieratome (Auflösung inaktiver Dotieratom-Defekt Cluster). Mit Hilfe von isotopenmodulierten Si und Ge Multischichtstrukturen untersuchen wir den Einfluss der Implantation auf die Vermischung der Matrixatome. Bisherige Modelle unterschätzen das Eigenatommischen während der Implantation und Versagen insbesondere die Vermischung von Si/Ge Grenzflächen durch Implantation korrekt vorherzusagen. Mit Hilfe von isotopenmodulierten Schichtstrukturen wird das Ionenstrahlmischen der Matrixatome erstmals experimentell zugänglich. Neben Experimenten werden Molekular Dynamik (MD) Simulationen durchgeführt, um die physikalischen Ursachen des atomaren Mischen zu verstehen. Die Arbeiten werden in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf durchgeführt, wo die Implantationen in unseren isotopenmodulierten Schichten erfolgen. Untersuchungen der Proben mittels der Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS) erfolgen in Münster, wie auch Untersuchungen mit REM und TEM. Die MD Simulationen werden auf eigens dafür konfigurierten Rechnern durchgeführt (GPGPU). Dies ist ein Vorhaben, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird.

Thermische Leitfähigkeit von isotopenmodulierten Halbleitern

Halbleiter sind für thermoelektrische Anwendungen die erste Wahl, da die freie Ladungsträgerkonzentration durch Dotierung einstellbar ist. Für eine breite Verwendung thermoelektrischer Bauelemente, die Wärme direkt in Strom umwandeln, ist es wichtig Rohstoffe zu verwenden, die unkritisch und häufig auf der Erde vorhanden sind. Dies und der bereits hohe Entwicklungsstand in der Herstellung elektronischer Bauelemente auf der Basis von Silizium, legt nahe, Silizium für thermoelekrtische Bauelemente zu verwenden. Leider ist jedoch die Wärmeleitung von Silizium für thermoelektrische Anwendungen zu hoch und entsprechend der zu erwartende Wirkungsgrad eines Si-Thermomoduls sehr gering. Aus diesem Grund wird nach Möglichkeiten geforscht, die Wärmeleitung von Si zu verringern ohne möglichst die elektrische Leitfähigkeit zu beeinflussen. Dies wird jedoch mit den derzeitigen Verfahren der Zulegierung von Ge oder anderen Fremdatomen nicht erfüllt. Interessant, ist deshalb die Frage, in wie weit kann die Wärmeleitung von Silizium durch eine gezielte Isotopenmodulation verringert werden (Silizium besteht aus drei verschiedenen Isotopen: 30Si, 29Si, und 28Si). In unserem Forschungsvorhaben untersuchen wir die thermische Leitfähigkeit von isotopenmodulierten Si- (und auch Ge) Schichtstrukturen mit einem Pump-Probe Verfahren. Dabei wird eine Gold-Schicht auf einer Si-Probe mit und ohne Isotopenschicht mit einem Laser erhitzt und die Abkühlung der Goldschicht als Funktion der Zeit über die Gitterkonstantenänderung erfasst (Pump-Beam: Laser; Probe-Beam: Synchrotronstrahl). Die Pump-Probe Experimente werden am ESRF in Grenoble durchgeführt. Die Präparaten der Proben erfolgt in Münster, wie auch die Auswertung auf der Grundlage kontinuumstheoretischer Simulationen. MD Simulation werden begleitend durchgeführt um den Einfluss von Isotopengrenzflächen und Isotopenverteilungen auf die Wärmeleitung in Si zu verstehen. Die Arbeiten erfolgen in Kooperation mit dem Forschungszentrum Karlsruhe (KITE), der Universität Duisburg Essen und der Universität Giessen und werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen eines Schwerpunktvorhabens gefördert.

Atomarer Transport in Halbleitern

In diesem Vorhaben geht es um die Frage der Mechanism des atomaren Transport in Halbleitern. Dabei interessiert uns insbesondere die Frage, in wie weit sich die Diffusion in Nanoobjekten von der Diffusion im Volumen von makroskopischen Halbleitern wie Si und Ge unterscheidet. Dazu werden aus isotopenmodulierten Halbleiterstrukturen z.B. Nanosäulen durch reaktives Ionenätzen hergestellt und diese für Diffusionsexperimente verwendet. Die Analyse der Isotopenverteilung in den Nanosäulen erfolgt anschließend mit SIMS und der Atomsonde. Die Beschreibung der Isotopenverteilung erfolgt auf der Grundlage von kontinuumstheoretischen Rechnungen, um aus dem Vergleich zwischen Experiment und Theorie die Modelle für den atomaren Transport in Nanoobjekten zu entwickeln. Die Präparaten der Nanosäulen wird in Kooperation mit der TU Braunschweig durchgeführt, da wir in Münster nicht über die Anlagen zum reaktiven Ionenätzen verfügen. SIMS wird in Münster und die Atomsondenmessungen werden an der U Marseille durchgeführt. Weiterhin sind REM, TEM und lokale elektrische Untersuchungen mit Hilfe eines AFM notwendig (Anlagen in Münster verfügbar). Die Simulationen erfolgen mit den im Arbeitskreis vorhanden Programmen und Rechnerkapazitäten. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Germanium-Nanokristalle (Ge-NC) in Siliziumdioxid (SiO2)

Durch ein von uns patentiertes Verfahren können wir kostengünstig Ge-NC in SiO2 herstellen und die Ausprägung (Größe, Verteilung) der Partikel während der Prozessierung der Proben kontrolliert beeinflussen. Derzeit interessiert uns insbesondere die Struktur-Eigenschafts Beziehung, d.h. welche Struktur bzw. Ausprägung der NC für elektronische Speicheranwendungen besonders günstig ist. Die Ge-NC werden über ein nasschemisches Verfahren (Sol-Gel Verfahren) im Reinraum des CeNTech hergestellt. Die elektrischen Eigenschaften werden (C-V und I-U Kennlinien) werden mit einem am Institut vorhandenem Semiconductor Characterization System (Keithley) durchgeführt. TEM Untersuchungen dienen zur Untersuchung der Struktur der Ge-NC. Derzeit werden erste Speicherbauelemente realisiert (Lithographie und Strukturierung in Zusammenarbeit mit TU Braunschweig) und deren Eigenschaften untersucht. Das Vorhaben wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.