Dünnschichttechnologien in interdisziplinären Anwendungsfeldern (DIA)

Projektlaufzeit: 1.4.2022 bis 31.3.2027

Die Dünnschichttechnologie ist eine zukunftsträchtige Branche, die mittlerweile in vielen Gebieten und Disziplinen an Bedeutung gewinnt. Insbesondere ermöglichen Herstellungsverfahren, welche auf Sputter-Technologien basieren die präzise Kontrolle bei der Erzeugung von dünnen Schichten im Nanometerbereich. Die Kontrolle der Schichtdicke ist in vielen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen und um bestimmte Funktionalitäten zu erreichen. Durch das Aufbringen von dünnen Schichten, die mittels einer Sputtertechnologie erzeugt werden, können die Oberflächeneigenschaften von Materialien gezielt modifiziert werden. Anbei können beispielsweise folgende Anwendungen genannt werden.

Die Herstellung von dünnen Schichten ist im Bereich der Sensorentwicklung von großer Bedeutung. Generell können dünne Schichten auf Sensoren aufgetragen werden, um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen und um deren Ansprechzeiten zu verbessern. Beschichtungen können auch eine effiziente Wärmeableitung ermöglichen und die Sensoroberflächen vor Korrosion oder Oxidation schützen.
Bei der Herstellung von medizinischen Implantaten, sowie Herzschrittmachern oder Stents werden dünne Schichten auf die Oberflächen aufgetragen, um die Eigenschaften des Implantats zu verbessern. Es können damit beispielsweise auch antimikrobielle Beschichtungen erzeugt werde.
Im Bereich der Verpackungsindustrie werden dünne Schichten verwendet, um die Barriere-Eigenschaften von Verpackungsmaterialien zu verbessern. Durch das Auftragen einer Sputterschicht auf Kunststofffolien kann der Sauerstoff- und Feuchtigkeitseintritt reduziert und dadurch die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängert werden.
Dünne Beschichtungen werden in der Optik eingesetzt, um beispielsweise die Reflexion oder Transmission von Licht zu kontrollieren bzw. diese zu beeinflussen. Optische Beschichtungen finden Anwendung in der Herstellung von Solarzellen, Spiegeln, Filtern, Antireflexbeschichtungen, Sonnenbrillen, Displays und vielen anderen optischen Geräten.
In Batterien und Brennstoffzellen werden dünne Schichten eingesetzt, um die Leistung, Effizienz und Haltbarkeit zu verbessern.
In der Halbleiterindustrie werden dünne Schichten zur Erzeugung von Leiterschichten, Isolatorschichten oder Dotierungsschichten eingesetzt.

Im Rahmen des von der MA23 geförderten Infrastrukturprojektes „Dünnschichttechnologien in interdisziplinären Anwendungsfeldern (DIA)“ist Anschaffung einer Sputteranlage geplant, um dünne Beschichtungen für unterschiedliche Anwendungen in den Forschungsbereichen an der FH Campus Wien zu erzeugen. Für die Durchführung des Projektes ist eine Kooperation von Expert*innen aus den Studiengängen Angewandte Elektronik und Technische Informatik, High Tech Manufacturing, Biomedizinische Analytik und Verpackungstechnologie geplant

Eine Maschine die für das Dünnschnittverfahren verwendet wird ist abgebildet

Forschungsziele

Das Projekt verfolgt im Wesentlichen die folgenden drei Projektziele:

Das erste Ziel des Projekts ist der Aufbau sowie die Erweiterung der bestehenden Forschungslabore an der FH Campus Wien. Im Rahmen des Projektes wird eine Sputteranlage sowie ein „Oxygen-Transmission-Rate-Messsystem (OTR-Messsystem) als auch ein Tiefkühlgerät (für Temperaturen bis zu - 80°C) angeschafft werden. Für die Anschaffung der SputteranIage ist eine europaweite Ausschreibung notwendig und diese wird in der ersten Projektphase durchgeführt werden.
Das zweite Ziel des Projektes ist der Aufbau und die Durchführung von Forschung in interdisziplinären Anwendungsfeldern an der FH Campus Wien. Neben den bereits beschriebenen Einsatzmöglichen der Dünnschichttechnologie für die Entwicklung von Sensoren und elektrischen Bauteilen wird die Infrastruktur auch in vielen weiteren Anwendungsbereichen und Disziplinen an der FH Campus Wien eingesetzt werden. Die Forschungsinfrastruktur wird künftig Disziplinen- und Fachbereichs-übergreifend in der Forschung der FH Campus Wien eingesetzt werden. Es ist geplant dünne Schichten für Verpackungsmaterialen herzustellen und die Durchlässigkeit von Sauerstoff zu bestimmen. Die Sauerstoffbarriere in einer Lebensmittelverpackung ist eine der wichtigsten Eigenschaften, da viele Lebensmittel überaus oxidationsempfindlich sind und dabei OTR als Kennwert große praktische Relevanz bei der Materialauswahl hat. Die Anwendung des OTR-Messgerätes ist dabei nicht nur auf die Analyse von Verpackungen beschränkt, auch gedruckte elektrische Bauteile sowie durch die Sputteranlage abgeschiedenen Schichten, welche beispielsweise für Sensoren und Antennen benötigt werden (und teilweise gegenüber Sauerstoff sehr empfindlich reagieren) können künftig damit charakterisiert werden. Das angeschaffte Messsystem ermöglicht auch die simultane Messung in drei Zellen und detektiert den Durchtritt von Sauerstoff in inertes Trägergas (Stickstoff) mittels Sensoren.
Für Anwendungen in Fachbereich der biomedizinischen Analytik ist geplant, Beschichtungen von Implantaten im Rahmen des Projektes zu erzeugen. Implantate sind Produkte, welche aus unterschiedlichen Materialien bestehen können und dauerhaft in den Körper eingebracht werden, um gewisse Körperfunktionen wiederherzustellen. Häufige Vertreter hierbei sind Zahnimplantate, Stents, Herzklappen-Implantate und Herzschrittmacher. Vor allem in der Orthopädie spielen Implantate eine bedeutende Rolle, da sich Knochen nach Verletzungen oder Verlust nicht neu bilden können und daher für die Funktionswiederherstellung ersetzt werden müssen. Die Anforderungen an die Materialien der Implantate sind hierbei sehr hoch. Pathogene dürfen sich keinesfalls an der Oberfläche der Implantate festsetzen und vermehren, da dies zu einer chronischen Entzündung mit schwerwiegenden Folgen führen könnte. Es soll verhindert werden, dass sich das Gewebe rund um das Implantat entzündet, was im schlimmsten Fall zu einer Abstoßung des Implantats führen kann. Gleichzeitig soll das Material robust sein und auf Dauer seine Eigenschaften erhalten können. Als Material eigenen sich besonders Metalle, Keramik und Polymere. Insbesondere ist geplant den Einfluss von Metallbeschichtungen auf das Bakterienwachstum zu bestimmen. Um die möglichen Rahmenbedingungen für dieses Vorhaben zu schaffen, wird für die benötigten Zellkulturen ein Stickstofftank benötigt, der die notwendige Lagerungs-Temperatur von Zellen gewährleisten kann (eine Lagerung bei -80 °C ist dafür notwendig).
Das dritte Ziel des Forschungsprojekts besteht darin, Studierende in das Projekt miteinzubinden und eine praxisnahe Ausbildung zu ermöglichen. Durch den Aufbau bzw. der Erweiterung der Forschungslabore am FH Campus Wien schaffen wir eine erstklassige Lern- sowie Forschungsumgebung für Studierende. Die hochqualifizierten Projektmitarbeiter*innen werden die Studierenden dabei unterstützen, ihr Wissen und ihre Fähigkeiten zu erweitern. Studierende werden ins besonders, in Form von Abschlussarbeiten sowie auch Praktika in das von der MA23 geförderte Projekt „Dünnschichttechnologien in interdisziplinären Anwendungsfeldern“ miteingebunden.