Laufende Projekte

Sauerstoffspeicherung (FVV)

Sauerstoffspeicherung/ Thermophysikalische Modellierung des Sauerstoffspeichers in Drei-Wege-Katalysatoren

Kurzbeschreibung
Die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) in Drei-Wege Katalysatoren (TWC) wird direkt durch die Cerium-beinhaltenden Materialien im Katalysator bestimmt und deren Fähigkeit, Sauerstoff zu speichern oder freizugeben und somit Schwankungen in der Abgasstöchiometrie bei einem Wechsel im Motorbetrieb von fett zu mager auszugleichen. Nur so können alle Abgasschadstoffe (NOx, CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe) gleichzeitig umgesetzt werden.
Materialien zur Sauerstoffspeicherung sind Feststoffgemische von Cerium-Zirkonium vom Typ CexZr1- xO2-δ (0<x<1), deren OSC vom Ce/Zr Verhältnis (x-Wert), der Menge Sauerstoff im Feststoff (δ-Wert) und dem relativen Anteil an Ce3+ und Ce4+ abhängt. Wichtige thermodynamische Größen zur Beschreibung dieser Materialien sind die Änderung der freien Enthalpie bei der Speicherung und Abgabe von Sauerstoff (∆G(δ)) und bei einer Veränderung des Ce/Zr-Verhältnisses (∆GS(x)), über deren experimentellen Bestimmung die Gleichgewichtskonstanten für alle bei der Sauerstoffspeicherung und Abgabe beteiligten Reaktionen berechnet werden können. Relevante experimentelle Methoden beziehen sich dabei in der Regel auf eine Messung des O2-Partialdruckes im Gleichgewicht.
Das Ziel des Projektes ist es, ein besseres Verständnis für Messmethoden und einer theoretischen Beschreibung des O2-Gleichgewichts-Partialdruckes zu erhalten. Dafür sollen experimentelle Untersuchungen an definierten Modellkatalysatoren und industrielle Proben unter idealisierten Gasgemischen sowie realistischen Motorabgasgemischen durchgeführt werden. Die Resultate werden zur Entwicklung eines Modells verwendet, mit dessen Hilfe das dynamische Verhalten von Drei-Wege-Katalysatoren beschrieben werden kann. Ein solches Modell ist dazu in der Lage, die Effizienz der TWCs zu erhöhen und kann in bestehende On-Board Diagnose integriert werden. Es ist deshalb relevant für Autohersteller, sowie ECU- und Katalysator-Anbieter.

Ausführende Stelle:
Fachgebiet Angewandte Physik/Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer (bis 31.08.2018)

Laufzeit:
01.07.2018 bis 30.06.2020

Förderkennzeichen:
6013150/ Oxygen-Storage M2816

Fördernde Institution:
Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.

Schlagworte:
Drei-Wege Katalysatoren, Sauerstoffspeicherung, Emission, Cerium Oxid, Reaktionskinetik, Reaktionsgleichgewicht, Simulation

      

          

        

           

             

          

ALD von IGZO-Schichten (BMWi, ZIM, ZF4510602AG7)

ALD-Prozessentwicklung für ternäre und quaternäre Dünnschichtsysteme für transparent-leitfähige Oxide

Teilprojekt: Spektroskopische Charakterisierung von IGZO-Schichten

Kurzbeschreibung
Das Gesamtziel des Vorhabens besteht in der Erforschung und Entwicklung eines Verfahrens zur Atomlagenabscheidung (ALD) von hochqualitativen dünnen transparent-leitfähigen Mischoxiden der Materialklasse In-Ga-Zn-Oxid (IGZO). Das quaternäre Materialsystem IGZO ist hochattraktiv bezüglich seiner Anwendbarkeit in transparenten Elektroden in der Photovoltaik, bei LEDs oder energieeffizienten Fenstern aber vor allem auch in Dünnschichttransitoren für flexible oder Aktiv-Matrix-Displays und in der ‚low-cost paper electronic‘, wobei insbesondere oxidische Dünschichtsysteme, die prozess- und kostengünstig hergestellt werden können, zum Einsatz kommen. Der Einsatz der ALD-Methode zur Abscheidung von IGZO-Schichten kann einerseits die Prozesskontrolle und andererseits die Schichthomogenität deutlich verbessern.
Bei der Entwicklung der ALD soll der Weg von den Voruntersuchungen an vorhandenen Anlagen und Plasmaquellen hin zur Konzeption, Konstruktion, dem Zusammenbau und der Prozessentwicklung gegangen werden.
Die Schichthomogenität sowie die elektronischen und elektrischen Eigenschaften der IGZO-Schichten stehen im Vordergrund der Untersuchungen.

Ausführende Stelle:
Fachgebiet Angewandte Physik/Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Kooperationspartner:
SENTECH Instruments GmbH
Schwarzschildstraße 2
12489 Berlin

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer (bis 31.08.2018)
Dr. Karsten Henkel

Laufzeit:
01.04.2018 bis 31.03.2020

Förderkennzeichen:
ZF4510602AG7

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM)

Schlagworte:
Atomlagenabscheidung, transparente leitfähige Oxide, IGZO










Modellierung von katalytischen Festbettreaktoren (BMWi, ZIM, ZF4510601ZG7)

Neuartige Simulationswerkzeuge zur Modellierung von katalytischen Festbettreaktoren

Teilprojekt: Experimentelle Verifizierung der heterogenen Katalyse am Beispiel der direkten CO2-Wandlung in Methan und Methanol zur Entwicklung einer Simulationssoftware

Kurzbeschreibung
Im Rahmen der Energiewende müssen neue und innovative Konzepte für eine nachhaltige Energiespeicherung und -bereitstellung bei einer gleichzeitigen Lösung des CO2-Problems gefunden werden. Um der Herausforderung der fluktuierenden Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien zu begegnen, sind der „Power-to-Gas“-Ansatz mit einer Synthese von Methan, andererseits aber auch der „Power-to-Liquid“- Ansatz mit einer Methanolsynthese hochaktuell. Beide Prozesse beruhen auf dem Einsatz von heterogenen Katalysatoren, deren Performance entscheidend in die Wirtschaftlichkeit der genannten Verfahren eingeht. Bei Verständnis der katalytischen Reaktionen ist eine Optimierung des Umsatzes, der Selektivität und der Ausbeute bei möglichst großer Lebensdauer möglich.

Das Konzept einer direkten Umwandlung der CO2-Komponente aus dem Rauchgas von z.B. Kohlekraftwerken, Raffinerien oder der Zementindustrie wird als neuartige Methode im Projekt untersucht. Die direkte Umwandlung hat den Vorteil, dass die Abtrennung des CO2 entfällt und z.B.  Methanol als flüssige Phase abgetrennt werden kann. Bei der Methanisierung entsteht ein Gasgemisch, welches z. B. in einem Blockheizkraftwerk bei Bedarf wieder in elektrischen Strom umwandelbar ist. Somit würde das Anwendungsfeld für die CO2-Konvertierung zurück in Wertstoffe wie Methan oder Methanol deutlich erweitert.

LOGE Deutschland GmbH entwickelt im Rahmen des Projekts ein Softwaretool zur Modellierung der physikalischen Prozesse und chemischen Reaktionen im Katalysator. Der experimentelle Dateninput und die Verifizierung der Modellierung erfolgt durch den Lehrstuhl Angewandte Physik/Sensorik der BTU Cottbus-Senftenberg. Anhand des so erzielten Verständnisses der zugrundeliegenden Prozesse kann die Optimierung und Hochskalierung der o.g. Verfahren gelingen.

Ausführende Stelle:
Fachgebiet Angewandte Physik/Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Kooperationspartner:
LOGE Deutschland GmbH
Burger Chaussee 25
03044 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer (31.08.2018)
Dr. Klaus Müller

Laufzeit:
01.04.2018 bis 31.03.2020

Förderkennzeichen:
ZF4510601ZG7

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM)

Schlagworte:
heterogene Katalyse, CO2-Umwandlung, direkte CO2-Umwandlung aus Rauchgasen, Methanisierung




Photovoltaik - PEALD-Nitrid (BMWi, ZIM, 16KN033522)

Prozessentwicklung der plasmagestützten Atomlagenabscheidung von Nitridschichten

Teilprojekt: Spektroskopische, mikroskopische und elektrische Charakterisierung von PEALD-Nitridschichten

Kurzbeschreibung
Das Gesamtziel des Vorhabens besteht in der Erforschung und Entwicklung eines Verfahrens zur plasmagestützten Atomlagenabscheidung (PEALD) von hochqualitativen dünnen Nitridschichten (AlN, TiN, SiN und GaN) auf 4 und 8 Zollsubstraten in einer zu entwickelnden ALD-Demonstratoranlage. Dabei soll der Entwicklungsweg von den Voruntersuchungen an vorhandenen Anlagen und Plasmaquellen, um die prinzipielle Funktionalität zu überprüfen, hin zur Konzeption, Konstruktion, dem Zusammenbau und der Prozessentwicklung gegangen werden. Es werden metallorganische Materialien (Prekursoren) unter Berücksichtigung ihrer Eigenschaften und (komplizierten) technischen Handhabbarkeit verwendet und anschließend werden die abgeschiedenen Schichten charakterisiert. Die Schichthomogenität auf 4“- und 8“-Wafern, sowie die Eigenschaften der Nitridschichten werden dabei im Vordergrund der Untersuchungen stehen.
Der Schwerpunkt unserer Arbeiten liegt auf der spektroskopischen, mikroskopischen und elektrischen Charakterisierung der beim Projektpartner SENTECH Instruments GmbH mittels PEALD abgeschiedenen Nitridschichten.

Ausführende Stelle:
Fachgebiet Angewandte Physik/Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Kooperationspartner:
Sentech Instruments GmbH
Schwarzschildstraße 2
12489 Berlin

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer
Dr. Karsten Henkel

Laufzeit:
01.03.2016 bis 28.02.2018

Förderkennzeichen:
16KN033522

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM)

Schlagworte:
Atomlagenabscheidung, Nitride, XPS, XAS, STM, elektrische Charakterisierung










Functional ALD (DFG, Schm745/31-1)

Grundlegende und funktionale Eigenschaften ultra-dünner mittels Atomlagenabscheidung hergestellter und mit oberflächenempfindlichen Techniken in-situ charakterisierter Oxidschichten

Kurzbeschreibung:
Wir führen eine systematische in-situ Untersuchung der grundlegenden und funktionalen Eigenschaften von ALD-Schichten mittels oberflächenempfindlicher Methoden durch. Wir nutzen ALD auf Substraten mit regelmäßig gestuften Oberflächen bei verschiedenen Temperaturen und charakterisieren das Auftreten und das Maß der Oberflächendiffusion mit Hilfe von Rastersondenmikroskopie. Wir bestimmen die Verteilung von ALD-Bildungsplätzen als Funktion der Substrattemperatur und der mittleren Terrassenbreite, um eine quantitative Abschätzung der Diffusion für das Verständnis  der Rolle der Diffusion bei der ALD zu erhalten. Wir transferieren das Wissen, das wir für regelmäßige Oberflächen erhalten haben, auf polykristalline Substrate, um experimentelle Gegebenheiten zur Abscheidung ebener Schichten auf komplexe Oberflächen zu untersuchen.  Wir verwenden Standard-ALD-Prozeduren auf Oxidsubstraten mit verschiedenen Oxidationsstufen und unterschiedlicher kristalliner Struktur und charakterisieren das Schichtwachstum mittels Photoemission- und  Absorptionsspektroskopie durch Synchrotron-Strahlung.
Die Substratchemie und -struktur beeinflussen das Wachstum und die Eigenschaften der Kontaktfläche in Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit im Bezug auf den ALD-Prekursor. Wir bestimmen den Einfluss der verschiedenen Oxidationsstufen und der kristallinen Struktur der Oxidsubstrate, um Kontaktflächen-, Substrat- und ALD-Schicht-Funktionalitäten in Bezug auf die Wahl von geeigneten verwendeten Materialien und ALD-Parametern.
Diese Untersuchen finden in-situ statt, wobei Charakterisierungsmethoden mit hervorragender Oberflächenempfindlichkeit verwendet werden. Diese Kombination ist einzigartig auf internationalem Niveau und zeigte bereits die Anwendbarkeit in der Klärung unerwarteter ALD-Phänomene.

Ausführende Stelle:
Fachgebiet Angewandte Physik/Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer
Dr. Massimo Tallarida

Laufzeit:
3 Jahre (bis 07.08.2016)

Förderkennzeichen:
SCHM 745/31-1

Fördernde Institution:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Schlagworte:
Atomlagenabscheidung, in-situ Charakterisierung, XPS, XAS, STM

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