Realtidsanalyser av materialförändringar i tunnfilmssystem nära ytan

Daniel Primetzhofer
Daniel Primetzhofer. Foto: Camilla Thulin.

Projektbeskrivning

Projekttitel: Realtidsanalyser av materialförändringar i tunnfilmssystem nära ytan
Huvudsökande: Daniel Primetzhofer, avdelningen för tillämpad kärnfysik
Beviljade medel: 3 800 000 SEK för perioden 2021-2024

Vårt högteknologiska samhälle har till en väsentlig del vuxit fram på grund av enorma framsteg inom tunnfilmsteknologi. Från antireflexbeläggningar på glasögon, skikt som skyddar maskindelar från slitage och korrosion, över alla komponenter i dagens elektronik till solceller och ultratunna batterier finns det knappast ett material, där inte egenskaperna hos skikten som ligger närmast ytan är relevanta för de önskade egenskaperna. I samband med att resurser är begränsade och att elektroniska kretsar även i fortsättningen håller på att krympa blir många av dessa system tunnare och tunnare.

För den omfattande forskningen som bedrivs för att kunna få fram bättre material, medför det ovannämnda att det i fortsättningen blir allt svårare att studera materialets egenskaper direkt utan att oönskade effekter på grund av exempelvis växelverkan med atmosfären påverkar resultaten. I majoriteten av konventionella studier så tas materialet fram i en viss dedikerad anläggning och måste transporteras i luft till ett annat instrument för ytterligare processteg och/eller karaktärisering. Detta kan göra det svårt att studera hur material egentligen reagerar i detalj och framförallt i realtid på externa påfrestningar såsom reaktiva atmosfärer, strålning, höga temperaturer eller kombinationer av dessa.

Vi vill inom det här projektet besvara frågeställningar gällande stabilitet och prestation av olika tekniskt högrelevanta materialsystem genom att undersöka dem medans materialförändringar sker på grund av de ovan nämnda externa stimuli. Målsättningen är att genomföra materialtillverkning, modifiering och karaktärisering i den högsta möjliga utsträckningen samtidigt i en och samma anläggning. Analysmetoderna som ska användas i dessa så kallade in-situ experiment kommer vara baserad på jonstrålar och är känt som icke-destruktiv, dvs. de kommer inte påverka processerna.

Inom de planerade experimenten kommer vi att använda i första hand den världsunika forskningsanläggningen vid ”Jonteknologiska centrumet” vid Uppsala universitet. Specifikt, så är det partikelstrålar av joner, dvs. laddade atomer, som har unika egenskaper som möjliggör de planerade undersökningarna: undersökningarna är icke-förstörande och kan därmed genomföras medans andra materialförändringar pågår utan att påverka just dessa processer. Samtidigt har metoderna en unik förmåga att kunna mäta hela den kemiska sammansättningen av ett material med en noggrannhet som andra, elektron- eller ljusbaserade metoder har svårt att uppnå. Lätta grundämnen som väte kan detekteras samtidigt som tunga som volfram. Till och med atomer av samma grundämne men med olika massor, så kallade isotoper kan synliggöras, vilket medför att man kan studera hur exempelvis syreatomerna rör sig inom ett material som oxideras.

Materialsystemen som ska undersökas kommer vara ett urval av de tekniskt mest relevanta kemiska förbindelserna baserade på övergångsmetaller. Specifikt så tänker vi utveckla metoder för att kunna undersöka nitrider som används för extrahårda beläggningar och som diffusionsbarriär i exempelvis solceller eller elektroniska kretsar och oxider som används inom sensorteknologi och får mer och mer intresse inom elektronik exempelvis inom nyartade lagringskretsar, så kallade memristorer. De unika metoderna som kommer att utvecklas inom projektet då olika ytbeläggningstekniker kombineras med icke-destruktiv analys kommer att hjälpa oss att ta fram bättre materialegenskaper gällande prestation, hållbarhet och resursanvändning för att bemöta framtidens utmaningar.