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Lukas Mai – er spiegelt sich in einer Dünnschicht – und Anjana Devi.

Materialforschung

Neue Chemie für ultradünne Gassensoren

Ein Bochumer Team hat einen neuen Prozess für Zinkoxidschichten entwickelt, die in Stickoxidsensoren und als Schutzschichten auf Plastik verwendet werden können.

Die Anwendung von Zinkoxidschichten in der Industrie ist vielfältig und erstreckt sich vom Schutz verderblicher Waren vor Luft bis zur Detektion von giftigen Stickoxiden. Solche Schichten können mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic layer deposition, kurz ALD) hergestellt werden, die normalerweise Vorläuferchemikalien, sogenannte Präkursoren, einsetzt, die sich an der Luft sofort entzünden. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der RUB hat jetzt einen neuen Herstellungsprozess etabliert, der auf nicht selbstentzündlichen Präkursoren basiert und bei so niedrigen Temperaturen abläuft, dass auch Kunststoffe beschichtet werden können. Das Team berichtet in der Zeitschrift „Small“, die den Beitrag in der Ausgabe vom 4. Juni 2020 für ihren Titel ausgewählt hat.

Ultradünne Schichten aufbringen

Um einen Sensor für Stickstoffdioxid (NO₂) herzustellen, muss eine dünne Schicht nanostrukturiertes Zinkoxid (ZnO) auf ein Sensorsubstrat aufgebracht und anschließend in ein elektrisches Bauteil eingebunden werden. Das Team von Prof. Dr. Anjana Devi nutzte ALD, um ultradünne ZnO-Schichten auf solche Sensorsubstrate aufzubringen.

Das Cover der Zeitschrift "Small"

Generell werden in der Industrie ALD-Prozesse eingesetzt, um mittels ultradünner Schichten, die teilweise nur wenige Atomlagen dick sind, elektrische Bauteile zu miniaturisieren und gleichzeitig die Effektivität zu erhöhen. Dafür sind Präkursoren notwendig, die im ALD-Prozess auf einer Oberfläche reagieren und so eine dünne Schicht bilden. „Die Chemie hinter ALD-Prozessen ist also essenziell und hat großen Einfluss auf die resultierenden Schichten“, unterstreicht Anjana Devi.

Sichere Handhabung und höchste Qualität

In der Industrie werden ZnO-Schichten bisher mit einem extrem reaktiven Zinkpräkursor hergestellt, der sich an Luft sofort entzündet, Experten nennen das pyrophor. „Der Schlüssel für die Entwicklung eines sicheren ALD-Prozesses war die Erforschung eines neuen, nicht pyrophoren Präkursors, der sicher gehandhabt werden kann und in der Lage ist ZnO-Schichten in der höchsten Qualität herzustellen“, so Lukas Mai, Erstautor der Studie. „Die Herausforderung war es, eine alternative Chemie zu finden, die in der Lage ist, pyrophore, industriell verwendete Verbindungen zu ersetzen.“

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