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#871687

PowerHEA Refraktäre Hochentropielegierungsschichten als Diffusionssperren für Leistungselektronikanwendungen

Ziel des geplanten Projektes ist es refraktäre HEA-Schichten mittels physikalischer Gasphasenabscheidung zu synthetisieren und ihre thermische Stabilität im Detail zu erforschen, um letzten Endes eine Beurteilung zur Eignung dieser Schichten als Diffusionssperren für elektronische Komponenten, die, wie zum Beispiel in der Leistungselektronik, hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, zu erreichen. Hierfür wird der Einfluss verschiedener Legierungselemente auf die Basislegierung MoNbTaW bezüglich Struktur und Eigenschaften von metallischen als auch von nitridischen HEASchichten untersucht. Detaillierte Informationen zur thermischen Stabilität und zur Diffusion von Cu werden mittels hochauflösenden Analysemethoden wie Transmissionselektronenmikroskopie gewonnen. Die zyklische thermische Belastung der Schichten wird erste Erkenntnisse zur Zuverlässigkeit refraktärer HEA-Schichten liefern. Insgesamt gesehen soll mit dem geplanten Projekt eine breite wissenschaftliche Basis zu Struktur und Eigenschaften refraktärer HEA-Schichten geschaffen werden, die dann in weiterer Folge die gezielte Entwicklung von Diffusionssperrschichten auf Basis refraktärer HEAs für Anwendungen in der Leistungselektronik und ähnlichen Gebieten ermöglicht.

Ausgangssituation

Hochentropielegierungen (‚high entropy alloys‘, HEAs) haben sich in den letzten Jahren als neue Materialklasse etabliert und werden momentan intensiv erforscht. Durch gezielte Kombination verschiedener Elemente (in der Regel 5 bis 13) konnten vielversprechende Eigenschaften für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten erreicht werden. Als Schichtmaterialien sind HEAs bisher allerdings nur wenig erforscht, insbesondere ist über refraktäre HEA-Schichten fast nichts bekannt. Diese Legierungen setzen sich im Wesentlichen aus Elementen, die zu den Refraktärmetallen Nb, Mo, Ta, W und Re gezählt werden, zusammen. Weitere Elemente werden zur Optimierung der Legierungseigenschaften hinzugefügt. Refraktärmetalle und deren Legierungen zeichnen sich allgemein durch eine hohe thermische Beständigkeit aus und werden häufig als Hochtemperaturwerkstoffe
eingesetzt.

Projektverlauf

Nach Bestimmung der optimalen Abscheideparameter für die Schichten und der Auswahl geeigneter Legierungssysteme wird zunächst die thermische Stabilität der Schichten im Detail untersucht. Das Ziel ist hierbei, dass Phasenänderungen erst bei Temperaturen von weit über 1000 °C auftreten. Im Anschluß werden Schichtmodellsysteme abgeschieden, die sich aus einer Lage Hochentropielegierung und einer Lage Kupfer zusammensetzen. Mit diesen Modellsystemen wird dann das Eindringen (Diffusion) von Kupfer bei statischer sowie zyklischer thermischer Belastung analysiert. Es ist zu erwarten, dass sich aus diesen Ergebnissen Rückschlüsse über mögliche Anwendungen der Hochentropielegierungsschichten gewinnen lassen.

Meilensteine
1 Auswahl optimaler Beschichtungsparameter und Substratmaterialien
2 Auswahl nitridischer refraktärer HEA-Schichtsysteme
3 Entscheidung über Schichtsysteme für weitere, hochauflösende Analysen
4 Auswahl der in-situ Messparameter für TEM und XRD Analyse
5 Auswahl refraktärer HEA-Schichten für zyklische thermische Belastungstests und für Untersuchung der mechanischen Stabilität
6 Auswahl optimaler Beschichtungsparameter und Substratmaterialien zur Abscheidung der Modellschichtsysteme für Untersuchung der Diffusion
7 Entscheidung über Modellschichtsysteme für weitere, hochauflösende Analysen
8 Auswahl geeigneter Prozessparameter für Untersuchungen der Diffusion bei zyklischer thermischer Belastung

Steckbrief

Projektnummer
871687
Koordinator
Robert Franz
Projektleitung
Robert Franz, robert.franz@unileoben.ac.at
Partner
Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft
Schlagwörter
Hochentropielegierung thermische Stabilität Diffusion Sputtern
Förderprogramm
Energieforschungsprogramm
Dauer
10.2019 - 09.2022
Budget
413.412 €