Beschichtungen aus Niob dotiertem Titan für beschlagfreie Scheiben

Ob Fensterscheiben, Solarzellen oder Touchscreens - hauchdünne Beschichtungen verhelfen Glas zu neuen Eigenschaften. Das Sputtergerät Megatron® ermöglicht es nun erstmals, die Materialien in diesen Schichten beliebig zu variieren und völlig neue Schichten mit besserer Oberflächenqualität herzustellen.

Klirrt draußen der Frost, dringt durch die Fenster immer ein wenig der molligen Wärme nach draußen. Dreifachverglasungen sollen möglichst viel der teuren Heizungsluft im Haus halten. In den Morgen- und Abendstunden jedoch können die dreifachen Fenster für Verdruss sorgen: Denn die äußere Scheibe kühlt in der Nacht stark aus und die Luftfeuchtigkeit setzt sich als Tau ab - sie beschlägt. Eine leitfähige Schicht könnte dies verhindern und die freie Sicht erhalten. Sie sorgt dafür, dass die Scheibe das Bisschen an Wärme, das zu ihr dringt, nicht an die kalte Umgebung abstrahlt. Damit die Schicht Wind und Wetter unbeschadet übersteht, muss sie möglichst kratzfest sein. Das wäre mit Indium-Zinn-Oxid möglich, das auch bei Touchscreens zum Einsatz kommt. Der Haken: Indium ist ein sehr seltenes und damit teures Element. Die Beschichtung würde also den Preis der ohnehin schon teuren Dreifach-Fenster weiter in die Höhe treiben.

Mit dem Megatron® schnell zur optimalen Schicht

Mit einem selbst entwickelten Sputtergerät, dem Megatron®, haben die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig völlig neue Möglichkeiten geschaffen, um weitere Schichtsysteme zu entwickeln - und zwar für beliebige Anwendungen. Im Fall der Dreifachfenster beispielsweise setzen sie auf Schichten aus Titanoxid. "Titan ist deutlich kostengünstiger als Indium, allerdings nicht leitfähig", sagt Dr. Volker Sittinger, Gruppenleiter am IST. "Wir dotieren das Titan daher mit Niob." Sprich: Die Forscher verunreinigen die Schicht gezielt, damit sie leitfähig wird. Doch wie viel Niob braucht man für einen optimalen Beschlagschutz? Bisher waren solche Fragen nur sehr schwer zu beantworten. Mit dem Megatron® lassen sie sich leicht lösen. "Im Gegensatz zu üblichen Sputtergeräten können wir die Dotierkonzentration beim Megatron® beliebig einstellen. Zudem erreichen wir eine höhere Beschichtungsrate und eine glattere Oberfläche", erläutert Sittinger.
Beim üblichen Sputterprozess beschießt man in einer Vakuumkammer einen Festkörper, Target genannt - das kann beispielsweise ein Titan-Metallblock sein - mit energiereichen Ionen. Diese schlagen einige Titan-Atome aus dem Target heraus, die sich auf der Glasoberfläche als hauchdünne Schicht absetzen. Möchte man die erzeugte Titanschicht mit Niob "verunreinigen", muss dieses Element normalerweise bereits im Targetmaterial enthalten sein. Die Konzentration ist daher von vornherein festgelegt. Anders dagegen beim Megatron®, das die Forscher am IST entwickelt haben: "Hier haben wir zwei komplett getrennte Targets, eines aus Titan, eines aus Niob. Wir sind daher völlig frei, was die Dotierkonzentrationen angeht. Wir können sie beliebig variieren und sogar Gradienten einstellen, sprich die Dotierung über die Schichtdicke hinweg verändern", erklärt der Forscher. Auf diese Weise ließe sich beispielsweise die Effizienz von Solarzellen steigern.

Neue Materialkombinationen lassen sich realisieren

Mit dem Megatron® können auch solche Materialien in einer Schicht kombiniert werden, die sich nicht in Form eines Targets mischen lassen und daher bislang nicht hergestellt werden konnten. Kurzum: Die Forscher erzeugen komplett neue Schichten. So etwa aus Wolfram und Titandioxid - mit diesen Schichten ließen sich zum Beispiel selbstreinigende Oberflächen in Innenräumen fertigen. Fällt UV-Licht auf eine Schicht aus reinem Titanoxid, baut sie organische Bestandteile ab. Dotiert man die Oxidschicht mit Wolfram, so zersetzt sie organische Verunreinigungen bereits dann, wenn sichtbares Licht darauf fällt.

Vor dem Bau des Megatrons® führten die Wissenschaftler Simulationen durch: Wie kann man die beiden Vakuumkammern für die unterschiedlichen Targets gastechnisch bestmöglich voneinander trennen? Wo müssen welche Blenden angebracht sein? Diese Fragen konnten Sittinger und seine Kollegen mithilfe eines Simulationsprogramms beantworten - mittlerweile hat die Software des IST-Teams auch Einzug in die Entwicklungsabteilungen von Anlagenbauern gehalten. Das Megatron® selbst stellen die Forscher auf der Messe glasstec vom 21. bis 24. Oktober 2014 in Düsseldorf vor.

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft