Potenziale und Innovationen. Thomas Ortlepp

Transkript

1 Synthetischer Diamant: Potenziale und Innovationen Thomas Ortlepp 1

2 Gliederung Anwendungsfelder Kompatibel zur Silizium-Mikrosystemtechnik Was wollen wir tun? 2

3 Durchbruchsinnovationen in Wachstumsmärkten Herausragende Eigenschaften Synthetischer Diamantschichten Oberfläche funktionalisierbar H 2 -Beständigkeit Hochtemperaturstabil Hohe Durchbruchfeldstärke Implantate Katalyse Elektroden Spezifische Biosensoren H-Drucksensoren Hochtemperatur- Drucksensoren Chemische Beständigkeit Biokompatibilität Implantate Harsh Environments Max. Wärmeleitfähigkeit Wärmesenke Heat Pipes Effektive Kühlungen UV-Stabilität - Strahlenhärte Große Transparenz Fenster Resonatoren Höchste Härte Cantilever und Resonatoren Medizin Strahlungsdetektoren Verschleißschutz Maschinenbau Energie Sensorik Optik 3

4 Anwendungsfelder und Beispiele Elektroden für die Analytik Effiziente Optoelektronik durch Wärmeverteilung Optische Komponenten Mechanische Schutzschichten Sensorische Elemente Detektoren 4

5 Elektroden für die Analytik Der Diamant ist aufgrund seines weiten Potenzialfensters, seiner niedrigen und stabilen Kapazität und seiner langen chemischen Stabilität eines der vielversprechendsten Elektrodenmaterialien. Anwendungen: - Elektrochemische Sensoren - Umweltsensoren - Bio-Analytik - Batterie-Technologie - Lebensmittelqualitätsanalyse - Überprüfung der Wasserqualität - Fingerabdruck-Sensoren Integrierter elektrochemischer Multisensor aus Diamant 5

6 Effiziente Optoelektronik durch Wärmeverteilung Mit der höchsten bekannten Wärmeleitfähigkeit (viermal höher als Kupfer) ist synthetischer Diamant der ideale Werkstoff für Wärmemanagementanwendungen, bei denen optimale Leistungen gefordert sind. Anwendungen: - Laserdioden - Laserdiodenarrays - Hochleistungs LEDs - moderne Halbleiterelektronik, Silicon on Diamond (SOD) Diamant Submounts 6

7 Optische Komponenten Optische Fenster, Hochenergie-Linsen für Laseroptiken, und strahlungsfestes Detektormaterial für Röntgen-Licht Anwendungen: - optische Fenster z.b. für CO 2 -Laser - Linsen - Strahlteiler - spektroskopische Flüssigkeitsanalyse - Infrarot-Anwendungen - Hochleistungs-Mikrowellenfenster für Fusionsreaktoren Diamant-Einzellinsen sowie Linsenarrrays z.b. für die Terahertz-Spektroskopie 7

8 Mechanische Schutzschichten Die höchste mechanische Beständigkeit von Diamantschichten erlaubt die Veredelung technischer Oberflächen. Anwendungen: - Veredelte Werkzeuge - Beschichtung von Zahnrädern - Verschleißschutzschicht für Mikrotaster - biokompatible Beschichtungen für Implantate Diamant-Beschichtung als mechanischer Verschleißschutz 8

9 Sensorische Elemente Die halbleitenden Eigenschaften von Diamantschichten erlauben elektronische Sensorelemente mit sehr hoher Beständigkeit und Stabilität. Anwendungen: - Piezowiderstände für Drucksensoren und Dehnmessstreifen - hohe Temperaturfestigkeit - Medienbeständigkeit, d.h. chemisch inert gegenüber allen bekannten Säuren und Basen - UV- und Wasserstoff-beständig Drucksensor auf Basis von Diamant-Piezowiderständen 9

10 Detektoren Diamantdetektoren in der Bestrahlungstechnik können geladene Teilchen insbesondere Ionen mit hoher Effizienz nachweisen. Zellbiologische Untersuchungen basieren oft auf dem Nachweis einzelner Ionen. Anwendungen: - Einzelionen nachweisende Systeme für Biologie und Medizin - Analytik-Systeme für Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) - Time-of-Flight (TOF) Systeme - Strahlüberwachung - Dosimetrie - Halbleiterfertigung (Strahlmodifikation) Diamant Detektor mit 5 Streifen 10

11 Kompatibel zur Silizium-Mikrosystemtechnik Abscheidung durch CVD-Prozess aus Methan Strukturierung durch ICP-Ätzen elektrische Kontaktierung mit Metallen elektrisch isolierend, leitend, halbleitend AlSi BCD Si Trockenätzen, 1 µm dicke Diamantschicht, CiS Forschungsinstitut 2015 Kontaktierung piezoresistive Messbrücke, Universität Ulm

12 CiS Forschungsinstitut Wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung als Partner der Industrie bei der Entwicklung innovativer Lösungen in der Mikrosystemtechnik. 12

13 Vision Smart Diamonds baut die Brücke Vielversprechende Ergebnisse in der Wissenschaft Kompatible technologische Möglichkeiten Vernetzung mit Kompetenzträgern der Wissenschaft, Wirtschaft und Politik - Sehr gute Marktchancen durch einzigartige Eigenschaften und Performance Grand Canyon Thomas Ortlepp CiS Forschungsinstitut Januar 2016

14 Bedeutung für die Mikrosystemtechnik Synthetischer Diamant als Funktionsmaterial: - kompatibel zur Silizium-Technologie - Innovationen und zusätzliche Wertschöpfung in allen aktuellen Anwendungsfeldern: Optik, Optoelektronik, Sensorik, Analytik, Produktion, Energietechnik Aktueller Stand: - Aufbau eines Netzwerkes zum Thema Innovationen mit synthetischem Diamant in der Sensorik - Technologieentwicklung und erste Anwendungsexperimente am CiS - Forschung und Ausbildung 14

15 Multidisziplinäre Kooperationen sind gefragt Neue Innovationen in der Sensorik erfordern multidisziplinäre Kooperationen. Gefragt sind neue Materialien, neue Technologien und neue System-Konzepte. Aufbau eines Netzwerks für Innovationen in der Mikrosystemtechnik durch den Einsatz neuartiger Diamant-Schichten: SMART DIAMONDS 15

16 Regionale und überregionale Bedeutung Thüringen ist ein Sensorland. Die Sensoren aus Thüringen sind weltweit im Einsatz. Wirtschaftswachstum lebt von Innovationen! Smart Diamonds steht für neue Innovationen durch physikalisch/ technischen Vorsprung. Damit werden in einem wichtigen Wachstumsfeld 1. die hohe Kompetenz deutlich weiter ausgebaut, 2. die Wertschöpfung wesentlich erhöht, 3. Fachkräfte ausgebildet und gebunden Spitzenprodukte am Weltmarkt 16

17 Kontakt CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH Konrad-Zuse-Straße 14 Prof. Dr. Ing. habil. Thomas Ortlepp D Erfurt Geschäftsführer Germany phone: