18.10.2018

Mit ultradünnen Metallschichten bis zum Merkur

Young Academics: Materialwissenschafterin Barbara Putz forscht an Nanometer-dünnen Metallschichten, die etwa für faltbare Bildschirme, aber auch für Weltraummissionen verwendet werden. Nun wurde die ÖAW-Jungforscherin mit dem L’Oréal Österreich-Stipendium für Frauen in der Wissenschaft ausgezeichnet.

Seit 2007 vergibt L’Oréal Österreich in Zusammenarbeit mit der österreichischen UNESCO-Kommission, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung jährlich fünf Stipendien an junge Grundlagen-Forscherinnen in den Bereichen Medizin, Naturwissenschaften, Mathematik. Das Stipendium soll dezidiert Frauen fördern, denn diese sind in den technischen und naturwissenschaftlichen Wissenschaften noch immer unterrepräsentiert. Der Preis wird am 22. Oktober in Anwesenheit von Wissenschaftsminister Heinz Faßmann im Festsaal der ÖAW feierlich verliehen.

Eine der heurigen Preisträgerinnen ist Barbara Putz, die als Postdoctoral Fellow am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaften der ÖAW in Leoben zu flexiblen Dünnschichtsystemen und funktionalen Materialien forscht. Flexible Dünnschichtsysteme bestehen aus extrem dünnen Metallschichten (ca. 100 Nanometer), welche auf nachgiebigen Polymerfolien aufgetragen werden. Anwendung finden diese biegsamen Verbundwerkstoffe in flexiblen Mikroelektronik-Bauteilen, wie etwa roll- oder faltbaren Bildschirmen – und in der Raumfahrt, in Form von mehrlagigen thermischen Superisolatoren für Satelliten. So wurden etwa die von Putz und ihrem Institut erforschten Werkstoffe für die Konstruktion der europäisch-japanischen Forschungssonde BepiColombo, die am 20. Oktober zum Merkur aufbricht, verwendet.

Enorme Temperaturunterschiede

Für die Raumfahrt ist es von besonderem Interesse, wie sich das Material chemisch und mechanisch verändert, wenn es einer extremen thermischen Wechselbelastung ausgesetzt wird – wie das auf dem Merkur der Fall ist. Eine Raumsonde oder ein Satellit in der erdnahen Umlaufbahn erfährt pro Jahr rund 6.000 thermische Zyklen von +/- 100°C. Thermisch induzierte Diffusionsprozesse und mechanische Spannungen können beispielsweise dazu führen, dass sich Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten chemisch und mechanisch verändern und ihre Haftung auf den Polymerfolien dadurch vermindert wird. Stabile Grenzflächen mit guter Haftung sind daher unerlässlich für erfolgreiche Weltraumflüge und zuverlässige mikroelektronische Bauteile.

Putz‘ Dissertation entstand in Zusammenarbeit mit der Europäischen Raumfahrt Agentur (ESA) und untersuchte vorwiegend kritische Grenzflächen für Mikroelektronik- und Raumfahrtanwendungen (insbesondere Metall-Kunststoff-Kombinationen) als Funktion einer thermischen Wechselbelastung. Dafür hat sie die unterschiedliche Sonneneinstrahlung auf den Satelliten während seiner Erdumrundung durch mehrmaliges Erhitzen und Kühlen im Labor nachgestellt. Durch mikroskopische, mechanische und chemische Analysen konnten die Schädigungsprozesse des Materials und der Grenzfläche untersucht werden. „Ich will die Mechanismen dahinter ergründen und ein umfassendes Verständnis für Grenzflächen und Adhäsion als Funktion von thermischer Wechselbelastung zu entwickeln“, beschreibt Putz ihre Arbeit.

Schutz für Satelliten

So konnte sie auch die Schwächen von gegenwärtig verwendeten Schichtsystemen identifizieren. In vielen Fällen tritt erste Materialschädigung bereits nach drei Zyklen auf. Ein Satellit erreicht diese Zahl bereits nach wenigen Stunden im Weltraum, wobei eine Mission durchschnittlich zwei bis drei Jahre dauern soll. Die Schädigung lässt das Material frühzeitig altern und führt zu einem sehr raschen Verlust der thermischen Isolationsfähigkeit, weil die Schicht ihre Schutzfunktion nur mehr bedingt ausüben kann. Das kann sich negativ auf die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der sensiblen Elektronik um Satelliten auswirken.

„Basierend auf den Ergebnissen meiner Dissertation möchte ich im Zuge des L’Oreal Stipendiums neuartige Schichten entwickeln, um die Probleme von gegenwärtig verwendeten Schichtsystemen zu überwinden“, sagt Putz. Zu diesem Zweck plant sie, neuartige Dünnschichten mittels physikalischer Gasphasenabscheidung herzustellen. Dabei werden Metallatome zuerst durch gewaltige Energiezufuhr verdampft, kondensieren schließlich auf den Polymerfolien und bilden dabei die dünnen Metallschichten. Anschließend erfolgt eine detaillierte Charakterisierung von strukturellen, chemischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften an den zuvor erzeugten Schichten.

„Ich freue mich sehr, dass mir das L’Oreal Stipendium die Möglichkeit bietet, die Erkenntnisse meiner Dissertation konkret anzuwenden und gleichzeitig meine Fähigkeiten im Bereich der Dünnschicht- und Weltraumtechnik zu erweitern“, so die Jungforscherin.