Kurzbeschreibung:
Das grundlegende Ziel des Projekts ist die Konsolidierung der bilateralen Zusammenarbeit zwischen der BTU Cottbus-Senftenberg (Lehrstuhl für Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie) und der Wroclaw University of Science and Technology (Lehrstuhl für Mikroelektronik und Nanotechnologie) und die Verbesserung der Kompetenzen junger Wissenschaftler der beiden Einrichtungen auf dem Gebiet der Herstellung und Diagnostik neuartiger Strukturen auf Basis halbleitender Oxide für Sensoranwendungen. Insbesondere liegt der Schwerpunkt auf der Optimierung von Schlüsselparametern bei der Herstellung innovativer Dünnschichtoxid-Nanomaterialien für resistive, elektrochemische und optische (gasochrome) Sensoren, die für den Nachweis verschiedener Gase (z.B. Stickoxide, Ammoniak, Methan, Wasserstoff) und flüchtiger organischer Verbindungen (z. B. Ethanol) konzipiert sind. Die Wertschöpfungskette der Wasserstoffnutzung in Sektoren der erneuerbaren Energien erfordert die kontinuierliche Entwicklung von Sensoren und Detektoren, die eine sichere und nachhaltige Nutzung, Beförderung und Speicherung von Wasserstoff ermöglichen. Metalloxide (z. B. CeO_x, SnO_x, In₂O₃, VO₃, WO_x usw.) weisen eine starke chemische Reaktivität gegenüber reduzierenden Gasen (z. B. H₂ und Kohlenwasserstoffe) auf, die mit einer starken Veränderung der Materialeigenschaften wie z.B. der elektrischen Leitfähigkeit einhergeht. Die Reduzierbarkeit dieser Oxide kann durch Legierungen mit zusätzlichen Elementen selektiv verändert werden, was die gezielte Einstellung ihrer Empfindlichkeit, Selektivität und Querempfindlichkeit für bestimmte Gase ermöglicht und sie zu vielversprechenden Kandidaten für aktive Sensorschichten macht. Darüber hinaus zeigt die Kombination von Seltenerd- und Übergangsmetalloxiden mit der Dotierung, mit  der Verwendung von Multilagenschichten oder farbigen Oberflächen ein hohes Potenzial zur Verringerung der Betriebstemperatur (<100 °C) der Metalloxidsensoren.

Kooperationspartner:

• Lehrstuhl für Mikroelektronik und Nanotechnologie
  Wrocław University of Science and Technology
  Prof. DSc. PhD. Eng. Jarosław Domaradzki

Projektleiter:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Jan Ingo Flege

Projektassistenz:
Dr. Małgorzata Kot

Laufzeit:
01.01.2023 - 31.12.2024

Förderkennzeichen/Projektnummer:
57656558

Kurzbeschreibung
Das Gesamtziel des Vorhabens besteht in der Weiterentwicklung eines Verfahrens zur Atomlagenabscheidung (ALD) von hochqualitativen ultradünnen Aluminiumoxidschichten für deren Niedrigtemperaturbeschichtung (~80°C) auf großflächigen organisch-anorganischen Perowskitschichten. Die Herstellung der Perowskitschichten soll innerhalb des Vorhabens ebenfalls entwickelt werden. Das ALD-Verfahren auf Perowskitschichten soll vordergründig für Passivierungsschichten in Perowskitsolarzellen (PSZ) angewendet werden, aber auch für andere optoelektronische Bauelemente und z.B. Sensoren und Batterien ist es von hoher Relevanz. PSZ haben innerhalb kürzester Zeit eine immense Steigerung des Wirkungsgrades erfahren, einer Markteinführung steht aber vor allem ihre geringe Langzeitstabilität entgegen. Zur Erhöhung dieser dient die ALD-Passivierungsschicht, die bei geringen Prozesstemperaturen, ultradünn und sehr kontrolliert hergestellt wird, wodurch die thermisch empfindlichen Perowskitschichten nicht degradieren sowie der notwendige Transport der durch die lichtelektrische Wandlung generierten Ladungsträger durch die Passivierungsschicht zur Elektrode sichergestellt wird.

Kurzbeschreibung
Das Projekt "Turbo Fuel Cell F&E" umfasst die Entwicklung einer hybriden Energiewandlereinheit aus Mikrogasturbine (MGT) und Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC). Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Komponentenentwicklung sowie der Systemintegration für den Bau eines Prototypen. Im Gesamtvorhaben arbeiten 10 Lehrstühle der BTU Cottbus-Senftenberg in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut IKTS.
In dem Teilvorhaben Afterburner/Reformer wird ein kombiniertes System aus Reformer und Afterburner für eine energetische Optimierung der Wärmebilanz entwickelt. Für die katalytische Dampfreformierung von Methan und Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid muss ein Temperaturniveau von ca. 1000°C bei einem Einsatz von nickelbasierten Katalysatoren eingestellt werden, welches durch die Nachverbrennung des Abgases von SOFC und MGT erreicht werden soll. Dabei werden die Abhängigkeit von Eduktgaszusammensetzung und -durchfluss, Temperatur und Druck aus dem Experiment als Grundlage zur Modellentwicklung herangezogen. Das zu entwickelnde Modell dient im nächsten Schritt als Grundlage für die Simulation komplexer Geometrien der Afterburner/Refomer-Einheit.

Kooperationspartner

• Lehrstuhl Thermodynamik/Thermische Verfahrenstechnik
  Brandenburgische Technische Universität Cottbus - Senftenberg
  Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß
  Siemens-Halske-Ring 8
  03046 Cottbus

• Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe
  Brandenburgische Technische Universität Cottbus - Senftenberg
  Prof. Dr.-Ing. Heinz Peter Berg
  Siemens-Halske-Ring 14
  03046 Cottbus

• Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme - IKTS
  Dr. Stefan Megel
  01277 Dresden

Projektleiter:

Laufzeit:
01.01.2020 – 31.03.2023

Förderkennzeichen:
03EWS002A

Weitere Informationen:

• TFC hompage

Schlagworte:
Ellipsomtrie, Quadrupol-Massenspektrometrie (QMS), niederenergetische Elektronenbeugung (LEED), Atomlagenabscheidung (ALD), physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD)

Motivation
In der forschungsintensiven Mikroelektronik stellen Hochschulen einen zentralen Innovationsfaktor dar. Forschung auf internationalem Spitzenniveau soll durch Investitionen in modernste Geräte und Anlagen an Hochschulen verstärkt ermöglicht werden. Zwölf „Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland“ sollen neue Forschungsfelder für die Mikroelektronik der Zukunft erschließen und den wissenschaftlichen Nachwuchs mit hochmoderner Ausstattung ausbilden. Die „Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland“ vernetzen sich untereinander und mit externen Partnern für einen besseren wissenschaftlichen Austausch und stärkere Kooperation.

Ziele und Vorgehen
Die neuen Anlagen im ForLab FAMOS werden  zur Integration neuer Materialien (die Halbleiter GeSn und SiGeSn, Oxide, zweidimensionale Materialien und Polymere) in eine ausgereifte Silizium-Plattform genutzt. Durch diese Integration neuer Materialien sollen innovative optoelektronische Bauelemente entstehen, insbesondere Sensoren und integrierte Lichtquellen, für optische Datenübertragung oder Biosensoren. Das ForLab FAMOS wird so die BTU Cottbus-Senftenberg auch international auf Spitzenniveau im Forschungsbereich der optoelektronischen Bauelemente bringen.

Innovation und Perspektiven
Elektrooptische Technologien können für eine schnellere und energieeffizientere Datenübertragung eingesetzt werden, und optische Biosensoren können spezifisch auf die Anwendungen konfiguriert werden. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von Schnell- bzw. Vor-Ort-Tests in der Notfallmedizin (zur Erkennung einer Sepsis) über Self-Monitoring (Messung von Hormonwerten im Speichel) bis hin zu industrieller Prozessüberwachung (etwa der Nahrungsmittelqualität).

Kooperationspartner:

• Fachgebiet Experimentalphysik und Funktionale Materialien
  Brandenburgische Technische Universität Cottbus - Senftenberg
  Prof. Dr. rer. nat. habil. Inga Fischer
  Erich-Weinert-Straße 1
  03046 Cottbus

• Fachgebiet Allgemeine Elektrotechnik
  Brandenburgische Technische Universität Cottbus - Senftenberg
  Prof. Dr. rer. nat. Michael Beck
  Universitätsplatz 1
  01968 Senftenberg

Projektleiterin:
Prof. Dr. Inga Fischer

Laufzeit:
01.01.2019 – 31.12.2022

Förderkennzeichen:
16ES0935

Kurzbeschreibung
Das Ziel dieses Teil-Arbeitspakets ist der Funktionstüchtigkeitsnachweis von Sensoren für die Detektion von Wasserstoff im Laborversuch, sowie die Bestimmung der Empfindlichkeit und Detektionsbandbreite bei Raumtemperatur.
Es soll ein widerstandsbasierter Gassensor zur Detektion geringer Variationen der Gaszusammensetzung in reduktiven Umgebungen (H₂, C_xH_y) mit hoher Empfindlichkeit und geringer Querempfindlichkeit entwickelt werden.
Dabei soll das bereits etablierte Konzept der Leitfähigkeitsänderung eines Metalloxidfilms unter sich ändernder Gasatmosphäre durch insgesamt drei, in ihrer Verbindung neuartiger Ansätze modifiziert und optimiert werden:

• Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors durch skalierbare, reproduzierbare Nanostrukturierung des Siliziumoxidsubstrats in CMOS-kompatibler Weise
• Steigerung der Empfindlichkeit durch die reproduzierbare, maßgeschneiderte Verringerung der Oxidfilmdicke und die konforme Dünnschichtabscheidung auf strukturierten Substraten unter Nutzung der Atomlagenabscheidung
• Optimierung der Selektivität des Sensors für bestimmte Gasspezies durch gezielte chemische Modifikationen des Oxidmaterials

Kooperationspartner

• Fachgebiet Experimentalphysik und Funktionale Materialien
  Brandenburgische Technische Universität Cottbus - Senftenberg
  Prof. Dr. rer. nat. habil. Inga Fischer
  Erich-Weinert-Straße 1
  03046 Cottbus

• IHP GmbH – Leibniz Institut für innovative Mikroelektronik
  Prof. Dr. rer. nat. habil. Christian Wenger
  Im Technologiepark 25
  15236 Frankfurt (Oder)

Projektleiter:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Jan Ingo Flege

Laufzeit:
15.11.2019 – 31.12.2021

Förderkennzeichen:
16ES1128K

Weitere Informationen:

• iCampus hompage
• BTU News Presseinformation

Schlagworte:
Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM), winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (AR-PES)

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.

Kurzbeschreibung:
Vanadiumdioxid ist ein korreliertes Oxid mit einem Metall-Isolator-Übergang bei etwa 340 K. Damit einher geht ein struktureller Übergang von der Rutilstruktur im metallischen Hochtemperaturzustand zu einer monoklinen Struktur im isolierenden Tieftemperaturzustand. Dabei lässt sich die Übergangstemperatur durch mechanische Verspannung in einem breiten Bereich variieren; auch kann der Übergang durch elektrische Felder getrieben werden. Darüberhinaus ist bekannt, dass bei Verspannung auch andere, exotische Phasen auftreten können. Insgesamt birgt Vanadiumdioxid damit ein großes Potential für Anwendungen z. B. in der Oxidelektronik, wofür diese Eigenschaften allerdings im Dünnschichtbereich gezielt kontrollier- und manipulierbar sein sollten.
In diesem Projekt untersuchen wir simultan das Wachstum und die strukturellen sowie elektronischen Eigenschaften von Vanadiumdioxidfilmen auf Rutheniumdioxidoberflächen verschiedener Orientierung in situ mittels niederenergetischer Elektronenmikroskopie (LEEM). Hierbei machen wir uns zunutze, dass sich bei der Oxidation der Rutheniumoberfläche gleichzeitig Inseln verschiedener kristallographischer Orientierung ausbilden können, die bei anschließendem Vanadiumdioxidwachstum als Template fungieren. Die Gitterfehlanpassung der auf Rutheniumdioxid gewachsenen ultradünnen Vanadiumdioxidfilme stellt eine je nach Orientierung verschiedene und teilweise extreme Verspannung in Aussicht. Von dieser extremen Verspannung erwarten wir das Auftreten bisher nicht untersuchter exotischer Phasen sowie allgemein einen deutlich größeren Einstellbereich der Übergangstemperatur von Vanadiumdioxid. Wir werden die verschiedenen Phasen mittels LEEM und darauf aufbauenden lokalen Beugungs- und Spektroskopiemethoden sowie mit verwandten Synchrotrontechniken eingehend charakterisieren.
Parallel streben wir mittels rastersondenmikroskopischer Methoden einzigartige Einblicke in kleinskalige Phasenseparationsphänomene an und untersuchen, bereits in Hinblick auf mögliche Anwendungen, auch den Einfluss elektrischer Felder. Felder.
Zudem soll in einem weiteren Schritt durch den Einsatz von auf Saphirsubstraten sputter-deponierten Rutheniumfilmen eine größere technologische Relevanz erzielt werden.

Kooperationspartner:

• Dr. Jon-Olaf Krisponeit
  Universität Bremen
  Institut für Festkörperphysik
  Surface Physics Group
  Otto-Hahn-Allee NW1
  D-28359 Bremen

Projektleiter:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Jan Ingo Flege

Laufzeit:
2017-2020

Förderkennzeichen:
FL 548/11-1

Projektnummer:
362536548 (GEPRIS)

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 (NO_x, CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe) gleichzeitig umgesetzt werden.
Materialien zur Sauerstoffspeicherung sind Feststoffgemische von Cerium-Zirkonium vom Typ Ce_xZr_{1- x}O_2-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.

Projektleiter:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Jan Ingo Flege (seit 01.09.2018)

Laufzeit:
01.07.2018 – 30.09.2020

Förderkennzeichen:
6013150/ Oxygen-Storage M2816

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 und Halbleiterspektroskopie der BTU Cottbus-Senftenberg. Anhand des so erzielten Verständnisses der zugrundeliegenden Prozesse kann die Optimierung und Hochskalierung der o.g. Verfahren gelingen.