ILGAR (Ion Layer GAs Reaction) ist ein patentiertes Abscheideverfahren für Metallsulfidschichten. Diese Methode wurde am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) entwickelt. Neben der Prozessbeschreibung wird in diesem Artikel auf die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten von ILGAR-Schichten eingegangen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Anwendung als Pufferschicht in Chalkopyritsolarzellen: ILGAR Indiumsulfid (In₂S₃) eignet sich hervorragend, um den industriellen Standard-Puffer aus toxischem Cadmiumsulfid (CdS) zu ersetzen. 2011 hat ILGAR den German High Tech Champion Preis von der Fraunhofer Gesellschaft verliehen bekommen.

ILGAR — a flexible and scalable process for the deposition of thin metal sulfide films

ILGAR (Ion Layer GAs Reaction) is a patented deposition technique for metal sulfide layers. This method has been developed at the Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB). This article introduces the ILGAR process and the application possibilities. One focus will be ILGAR indium sulfide (In₂S₃) as buffer layer in chalcopyrite-based thin film solar cells. ILGAR In₂S₃ is very suitable to replace the toxic cadmium sulfide (CdS) layer (the industrial standard buffer material in chalcopyrite solarcells). ILGAR has been awarded the German High Tech Champion price 2011 by the Fraunhofer Gesellschaft.

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist als Standardwerkzeug zur Festkörpersimulation in den Ingenieurwissenschaften etabliert. Moderne FEM-Programme ermöglichen in Verbindung mit einem CAD-System schon in der virtuellen Entwicklungsphase ein für die spätere Anwendung optimiertes Design mechanischer Systeme. In der Vakuummechanik befähigt FEM den Konstrukteur, Vakuumbehälter auf spezifische mechanische und thermische Eigenschaften anzupassen. Der Einsatz der im Vakuumbehälterbau noch wenig verbreiteten, im UHV / XHV jedoch äußerst vorteilhaften Aluminiumwerkstoffe wird mittels FEM anwendungssicher erschlossen. Bei der Neu- und Weiterentwicklung von Vakuumflanschsystemen trägt die FEM wichtige Erkenntnisse zur Funktionsweise bei, woraus Montageparameter und zulässige Betriebsbedingungen abgeleitet werden können.

Der vorliegende Artikel gibt Einblick in die grundlegenden Prinzipien einer FEM-Analyse und zeigt die Vorgehensweise an praktischen Beispielen aus der Vakuummechanik.

Finite element method analysis in vacuum mechanics

In engineering sciences the finite element method (FEM) is widely accepted as standard for the simulation of solid body characteristics. Modern FEM-Software, used with a CAD-system, enables the optimization of mechanical systems in an early development stage. Vacuum-mechanic engineers can use FEM to adapt vacuum vessels on specific mechanical and thermal requirements. The use of aluminum alloys for vacuum components, especially vessels for UHV / XHV, needs to consider the mechanical properties of aluminum. FEM is an easy to use method to enable this, regarding safety and low cost aspects. In the context of the new development and advancement of vacuum-flange-systems, FEM can be conducive to gain important insight to their functionality. Assembly parameters and operating conditions can be derived with such investigations.

The following article describes the basic principles of an FEM-analysis and presents the respective procedure using examples of vacuum mechanics.

Die Stufenweise Oxidationsprofilierung (SWOP) wurde zur Ladungsträger-tiefenprofilierung an Bor-implantierten Silizium eingesetzt. Das Messverfahren basiert auf einer alternierenden elektrischen Messung des Schichtwiderstandes mit van-der-Pauw (VDP)-Strukturen zwischen jeweils einem Si-Schichtabtrag durch elektrochemische anodische Oxidation. Es konnte gezeigt werden, dass die SWOP-Profile sehr gut mit SIMS-Referenzprofilen übereinstimmen und eine Tiefenauflösung von ≤ 1 nm sowie eine Nachweisgrenze 1·10¹⁶ cm⁻³ erreicht werden.

Charge carrier depth profiling on ultrashallow pn-junctions

The Stepwise Oxidation Profiling (SWOP) technique has been applied to charge carrier depth profiling on boron ion implanted silicon. The procedure works by altering between electrical sheet resistance measurements on van-der-Pauw (VDP)- structures and Si layer removal by electrochemical anodic oxidation. It was shown that the SWOP profiles are matching well with SIMS reference measurements, and that a depth resolution of ≤ nm and a detection limit of 1·10¹⁶cm⁻³ was achieved.

In diesem Beitrag werden die optischen und elektrischen Eigenschaften von amorphen transparenten leitfähigen Oxiden (a-TCOs) mit Hilfe der atomistischen Materialmodellierung analysiert. Die Untersuchung von Modellstrukturen mit Computersimulationen ermöglicht ein tieferes Verständnis der in der Realität auftretenden Phänomene. Im Fall der a-TCOs können tiefe Energieniveaus in der elektronischen Bandstruktur, die zum Beispiel die optische Transparenz reduzieren, strukturellen Defekten auf atomarer Ebene zugeordnet werden. Dies ermöglicht es, gezielt nach Strategien zur Ausheilung dieser Defekte zu suchen

Properties of amorphous transparent conducting oxides (a-TCOs)

In this contribution the optical and electrical properties of amorphous transparent conductive oxides (a-TCOs) are analysed by means of atomistic material modelling. The investigation of model structures by computer simulations allows a deeper understanding of the physical phenomena. In the case of the a-TCOs deep energy levels in the electronic band structure, that reduce for example the optical transparency, can be linked to structural defects on the atomic scale. This allows a well-directed search for strategies which anneal these defects.

Ohne Wälz- oder Kugellager liefe in Maschinen und Motoren nichts. Durch Reibung und Verschleiß gehen in jedem Lager jedoch sowohl Energie als auch Material unwiederbringlich verloren. Abfüllanlagen, Verpackungsmaschinen und Werkzeugmaschinen funktionieren mit solchen Kugellagern ebenso wie Getriebe und Motoren von Haushaltsgeräten, Pumpen, Autos, Flugzeugen und Schiffen. Um Reibung und Verschleiß in den Lagern möglichst gering zu halten, werden sie vielfach mit Ölen oder Fetten geschmiert. Dennoch wird ein Teil der Bewegungsenergie der Lager in Wärme umgewandelt und geht so verloren. Zudem tragen Abrieb und Korrosion zum Verschleiß der Materialoberflächen bei.

Bessere Reibeigenschaften zeigen Lager der Firma Cerobear, deren Oberfläche am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB mittels der nanodyn®-Plasmatechnik modifiziert wurde: Die Reibung der beschichteten Lager ist um mehr als 50 Prozent gegenüber einem unbeschichteten Lager reduziert. Zudem korrodieren die beschichteten Lager weniger und lassen sich besser reinigen. Dadurch kann ein deutlicher Beitrag zur Ressourcenschonung in Deutschland durch effiziente Produktionen geleistet werden.

Im Verbundprojekt nanodyn® hat das Fraunhofer IGB gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Forschung eine Plasma-Oberflächenbeschichtung entwickelt, die durch mikro- und nanostrukturierte Oberflächen das Benetzungsverhalten von Oberflächen gegenüber Schmierstoffen, Wasser und Reinigungsmitteln gezielt verändert und so Reibung, Verschleiß und Korrosion beträchtlich vermindert.

Friction reduction in ball bearings by nanodyn® -plasma coating

Without ball bearings engines wouldn't operate. On the other hand by friction and wear in bearings a certain amount of material and energy is lost. For bottling plants, packaging machines and machine tools such bearings are indispensable as well as for gears, and motors in pumps in the automotive and aviation areas. To minimize friction and wear in bearings different types of lubricants are in use. Nevertheless a part of the kinetic energy will be transformed in heat and wear and corrosion might happen.

Enhanced friction properties are gained on bearings from the company of Cerobear after applying the nanodyn® coatings deposited on all parts of the bearings by the Fraunhofer Institute for Interfacial engineering and Biotechnology. The friction is reduced by more than 50%. In addition the corrosion is reduced as well and cleaning becomes easier. In conclusion, this project contributes to resource efficient production in Germany by the development of plasma coatings for enhanced wetting of lubricants, reduced friction and wear and for minimized corrosion of ball bearings.

Die Plasma Profiling Mass Spectrometry (PPMS) ist eine neue Methode zur Charakterisierung von Oberflächen und Schichten. Dank der RF-Anregung der abtragenden Glimmlampe können sowohl leitende als auch nicht leitende Materialien analysiert werden. Durch der Kopplung mit der Flugzeitmassenspektrometrie wird das gesamte Massenspektrum simultan erfasst. Sie liefert damit Element-, Isotopen- und im Fall von organischen Schichten auch wertvolle Molekülinformationen. Retroperspektivische Analysen sind jederzeit möglich. Durch die Trennung des Flugzeitmassenspektrometers von der abtragenden Quelle kann ein Probenwechsel innerhalb von wenigen Minuten durchgeführt werden. In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften erfolgt die Analyse der Schichten innerhalb von Sekunden bis Minuten. Damit eignet sich diese Methode nicht nur für viele Fragestellungen im Oberflächenlabor, sondern auch sehr gut zur produktionsbegleitenden Kontrolle in der Industrie.

Plasma Profiling Mass Spectrometry (PPMS)

Plasma profiling mass spectrometry is a new method for the characterisation of surfaces and layers. Thanks to the RF excitation of the GD source it is possible to analyze conductive and non conductive samples. With a coupling of a time of flight mass spectrometer the acquisition of the complete mass spectrum is simultaneously. Therefore, this method provides elemental, isotopic and in the case of organic layer also molecular information. Retro perspective analysis are always possible. Through the separation of the mass spectrometer and the sputtering GD source the change of a sample takes only a few minutes. Depending of the material the analysis time is in the range of a few seconds up to several minutes. Therefore, this new method is ideal not only for surface labs but also for the control of the production in industry application.