Abgeschlossene Projekte

iCampus (BMBF, 16ES1128K)

Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik CottbusTeilprojekt: Entwicklung einer auf Silizium basierenden, optimierten Gassensorik zur besonderen Überwachung von Industrieprozessen und für Anwendungen mit hoher Stückzahl

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, CxHy) 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

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
im Rahmen des Programmes "RPME-Initiativprojekte"

Schlagworte:
Gassensoren, Mikrostrukturierung, Atomlagenabscheidung, Metalloxide, Übergangsmetalle

Flexibilisierung PEEM (MWFK, EFRE, 85044894)

Flexibilisierung eines Photoelektronenmikroskops zur Stärkung der Materialforschungsinfrastruktur für die Energiewende

Kurzbeschreibung:
Das Vorhaben zielt auf die Stärkung der Materialforschungsinfrastruktur für innovative Anwendungen in der Mikroelektronik, der Sensorik, der Photovoltaik, in »Power to X to Power«-Anwendungen, der Sektorenkopplung und der nachhaltigen Mobilität.
Dafür soll ein am Fachgebiet vorhandenes Photoemissionselektronenmikroskop (PEEM) flexibilisiert werden. Insbesondere werden dazu eine leistungsfähige Helium-Quelle, ein verbesserter Detektor mit extrem hohem Signal-Rausch-Verhältnis sowie die Hauptbestandteile eines Gasdosiersystems benötigt. Dadurch soll die Funktionalität des PEEMs durch die Erweiterung mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (AR-PES) und durch die Applikation eines Gasdosiersystems für in-situ Modellstudien erhöht werden.

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

Laufzeit:
26.08.2020 - 31.05.2022 (Bewilligungszeitraum)
26.08.2020 - 30.09.2021 (Durchführungszeitraum)

Antragsnummer:
85044894

Fördernde Institution:
Europäischer Fond für regionale Entwicklung (EFRE) in der Bewirtschaftung des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kultur (MWFK)

Förderprogramm:
"Förderung der Infrastruktur für Forschung, Entwicklung und Innovation aus dem EFRE (InfraFEI)"
Allgemeine Informationen zum Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung.

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

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.

Kooperationspartner:
SENTECH Instruments GmbH
Schwarzschildstraße 2
12489 Berlin

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

Laufzeit:
01.04.2018 – 15.02.2021

Förderkennzeichen:
ZF4510602AG7

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

Schlagworte:
Atomlagenabscheidung, transparente leitfähige Oxide, IGZO

Tuning von Vanadiumdioxidschichten (DFG, FL 548/11-1)

Tuning von Vanadiumdioxidschichten durch extreme Verspannung Lokale Untersuchung komplexer Übergangsphänomene und exotischer Phasen

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)

Fördernde Institution:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Schlagworte:
Vanadiumoxid, LEEM, Stress

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.

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

Fördernde Institution:
Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.

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

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

Kooperationspartner:
LOGE Deutschland GmbH
Burger Chaussee 25
03044 Cottbus

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

Laufzeit:
01.04.2018 – 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