Vom Trial-and-Error zum systematischen Screening
Denn sie entsteht noch immer in aufwendigen Einzelschritten, die viel Zeit, Material und Kosten in Anspruch nehmen, ohne dass ein optimales Ergebnis garantiert ist. Gleichzeitig müssen unter immer kürzeren Innovationszyklen leistungsfähigere und nachhaltigere Dünnschichten immer schneller verfügbar sein. Am fem Forschungsinstitut wurde daher das kombinatorische PVD-Verfahren zur Entwicklung neuer Dünnschichten methodisch ausgebaut. Es ermöglicht eine systematische und deutlich effizientere Materialentwicklung.
„Wir überführen die Schichtentwicklung von einem aufwändigen Trial-and-Error-Prinzip in ein systematisches Screening. Damit lassen sich komplexe Materialsysteme in einem Bruchteil der bisherigen Zeit untersuchen“,
erklärt Dr. Martin Fenker, Abteilungsleiter Plasma-Oberflächentechnik am fem Forschungsinstitut.
Der Kern ist das sogenannte Combinatorial Magnetron Sputtering (CMS), bei dem mehrere Magnetron-Sputterquellen gleichzeitig betrieben werden. Durch die gezielte Anordnung dieser Quellen entstehen auf einem Substrat definierte laterale Zusammensetzungsgradienten.
Die Materialbibliothek: Systematische Effizienz statt langwieriger Iteration
Dieses Prinzip verwandelt eine einzelne Probe in eine Materialbibliothek: Anstelle isolierter Einzelversuche entstehen in einem einzigen Prozesslauf zahlreiche unterschiedliche Materialvarianten, die systematisch analysiert werden können. Eigenschaften wie Härte, Korrosionsverhalten oder optische Parameter lassen sich direkt der jeweiligen Zusammensetzung zuordnen. Im Unterschied zur klassischen Entwicklung, die auf iterativer Annäherung basiert, ermöglicht dieser Ansatz eine gezielte und strukturierte Durchmusterung von Materialsystemen. Der experimentelle Aufwand bezüglich der Schichtabscheidungen reduziert sich dabei um den Faktor 10 bis 100, während gleichzeitig belastbare Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Phasenbildung und Funktionseigenschaften entstehen. Die ortsaufgelöste Charakterisierung – etwa mittels CIE-Lab-Farbmessungen, instrumentierter Härteprüfungen oder Korrosionstests – erzeugt strukturierte Datensätze. Diese bilden die Grundlage für eine datengetriebene Materialentwicklung und den Einsatz von Methoden der Materialinformatik und künstlichen Intelligenz.
Praxischeck bestanden: Enorme Zeitersparnis in realen Projekten
Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wurde in mehreren Projekten demonstriert. Im EU-Projekt „Coloured Gold“ konnten durch kombinatorisches Co-Sputtern gezielt unterschiedliche Farbzustände in metallischen Schichten erzeugt werden. Die Entwicklungszyklen für die Schichtabscheidungen verkürzten sich dabei von vielen Jahren auf wenige Monate. Im IGF-Projekt „RefMagS“ wurde die Methode auf komplexe Metallnitridsysteme übertragen. Dabei zeigte sich, dass sich die mechanischen und chemischen Eigenschaften über den Magnesiumgehalt gezielt einstellen lassen. Gleichzeitig konnten systematische Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Mikrostruktur und Performance identifiziert werden. Das bedeutet für die industrielle Praxis einen klaren Wettbewerbsvorteil: Unternehmen können Materialsysteme schneller bewerten, Entwicklungsrisiken reduzieren und ihre Time-to-Market signifikant verkürzen.
„Ein einziger Beschichtungslauf ersetzt zahlreiche Einzelversuche. Das reduziert Kosten deutlich und erhöht gleichzeitig die Trefferquote bei der Entwicklung neuer Schichtsysteme“,
so Fenker.
Dieser Ansatz ist besonders für kleine und mittlere Unternehmen relevant. Ohne eine umfangreiche eigene F&E-Infrastruktur können sie die kombinatorische Schichtentwicklung als vorgelagerte Screening-Plattform nutzen, um geeignete Materiallösungen zu identifizieren, bevor diese in serienrelevante Prozesse überführt werden. So können größere Fehlinvestitionen vermieden werden.
Der kombinatorische Ansatz ist flexibel skalierbar und auf zahlreiche Anwendungen übertragbar, darunter verschleiß- und korrosionsbeständige Schutzschichten, dekorative Oberflächen, optische und funktionale Beschichtungen sowie Anwendungen in der Energie- und Medizintechnik. Somit eröffnet der Ansatz mittelständischen Unternehmen einen deutlich effizienteren Zugang zu neuen Materialien und verkürzt den Weg von der Idee zur industriellen Anwendung erheblich.
(Quelle: fem Forschungsinstitut)
