Verfahren zum Aufbringen einer porösen GlasschichtMethod for applying a porous glass layer
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer porösen Glasschicht sowie ein Verbundmaterial mit einer porösen Glasschicht.The invention relates to a method for applying a porous glass layer and a composite material with a porous glass layer.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erzeugung poröser Glasschichten auf einem Substrat ist bekannt. So beschreibt die EP 708 061 (Yazawa et al . ) dieThe production of porous glass layers on a substrate is known. Thus, EP 708 061 (Yazawa et al.) Describes the
Erzeugung einer porösen Glasschicht durch ein Ätzverfahren.Production of a porous glass layer by an etching process.
Bekannte Ätzverfahren zum Erzeugen poröser Glasschichten haben den Nachteil, dass sie sehr aufwendig sind. So sind mehrere Verfahrensschritte zur Erzeugung einer porösenKnown etching methods for producing porous glass layers have the disadvantage that they are very expensive. So are several process steps for producing a porous
Glasschicht nötig. Zum anderen kann der Porositätsgrad der Glasschicht nicht beliebig eingestellt werden. Darüber hinaus ist der Porositätsgrad einer geätzten Glasschicht zumeist nicht sehr homogen, in der Regel nimmt die Porosität der Schicht mit zunehmender Tiefe ab. Es lassen sich mit Ätzverfahren auch keine dickeren Schichten herstellen .Glass layer needed. On the other hand, the degree of porosity of the glass layer can not be adjusted arbitrarily. In addition, the degree of porosity of an etched glass layer is usually not very homogeneous, as a rule, the porosity of the layer decreases with increasing depth. It can be prepared by etching, no thicker layers.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt dem gegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen zumindest einer porösenThe invention is based on the object, a method for applying at least one porous
BESTATIGUNGSKOPIE
Glasschicht bereitzustellen, welches möglichst einfach und kostengünstig ist.BESTATIGUNGSKOPIE To provide glass layer, which is as simple and inexpensive.
Weiter ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht in einer Anlage Glasschichten mit unterschiedlichen Porositätsgraden bereitzustellen. Es sollen Glasschichten unterschiedlicher Dicke und unterschiedlicher Porosität bereitgestellt werden können .A further object of the invention is to provide a method which makes it possible to provide glass layers with different degrees of porosity in a system. It should be possible to provide glass layers of different thickness and different porosity.
Der Porositätsgrad soll über die gesamte Schichtdicke einstellbar sein, so dass es auch möglich ist, Schichten mit einer im Wesentlichen homogenen Porosität oder einer sich gezielt graduell ändernden Porosität aufzubringen.The degree of porosity should be adjustable over the entire layer thickness, so that it is also possible to apply layers having a substantially homogeneous porosity or a selectively gradually changing porosity.
Weiter ist Aufgabe der Erfindung, ein Verbundmaterial bereitzustellen, welches nanostrukturiert ist und optisch oder chemisch aktive Eigenschaften aufweist.A further object of the invention is to provide a composite material which is nanostructured and has optically or chemically active properties.
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein Verfahren zum Aufbringen poröser Glasschichten sowie durch ein Verbundmaterial gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.The object of the invention is already achieved by a method for applying porous glass layers and by a composite material according to the independent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.Preferred embodiments and further developments of the invention are to be taken from the respective subclaims.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Aufbringen poröser Glasschichten vor, wobei ein Substrat und eineThe invention provides a method for applying porous glass layers, wherein a substrate and a
Materialquelle bereitgestellt wird und mittels eines PVD- Verfahrens auf dem Substrat eine Glasschicht mit einem Porositätsgrad von über einem Prozent abgeschieden wird.
Weiterhin sieht die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen von Glasschichten vor, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen zumindest eines Substrats, Bereitstellen zumindest einer Materialquelle und Abscheiden zumindest einer porösen Glasschicht. In einer Ausführungsform wird die poröse Glasschicht mit einem Porositätsgrad von über einem 1 % abgeschieden. Vorzugsweise wird dabei die poröse Glasschicht mittels eines PVD-Verfahrens, insbesondere mittels Verdampfens, auf dem Substrat abgeschieden.Material source is provided and deposited by means of a PVD process on the substrate, a glass layer with a degree of porosity of more than one percent. Furthermore, the invention provides a method for applying glass layers, comprising the following steps: providing at least one substrate, providing at least one material source and depositing at least one porous glass layer. In one embodiment, the porous glass layer is deposited with a degree of porosity of over 1%. Preferably, the porous glass layer is deposited on the substrate by means of a PVD process, in particular by means of evaporation.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass es mittels eines PVD (Physical Vapor Deposition) -Verfahrens möglich ist, poröse Glasschichten abzuscheiden. Ein solchesThe inventors have found that it is possible by means of a PVD (Physical Vapor Deposition) method to deposit porous glass layers. Such
PVD-Verfahren lässt sich in einem Prozessschritt durchführen und ist wesentlich weniger aufwendig als herkömmliche Ätzverfahren. Zudem kann beim PVD-Verfahren die Porosität der Glasschicht gezielt gesteuert werden. So ist es möglich, eine Glasschicht mit einer imPVD process can be performed in one process step and is much less expensive than conventional etching. In addition, the porosity of the glass layer can be specifically controlled in the PVD process. So it is possible to have a glass layer with an im
Wesentlichen homogenen Porosität aufzubringen, wohingegen bekannte Ätzverfahren zumeist Porositätsgrade haben, die von Substratseite zur Außenseite hin zunehmen.Apply substantially homogeneous porosity, whereas known etching processes usually have degrees of porosity, which increase from the substrate side to the outside.
Die poröse Glasschicht ist bevorzugterweise alsThe porous glass layer is preferably as
Funktionsschicht ausgebildet. Einschlüsse von Hohlräumen in abgeschiedenen Glasschichten sind nach dem bekannten Stand der Technik nicht erwünscht. Die Erfinder haben dagegen herausgefunden, dass eine Schicht bereit gestellt werden kann, die wegen der Porosität als Funktionsschicht dient, also die Porosität bestimmte Funktionen der Schicht, die im Folgenden näher beschrieben werden, erst ermöglicht.Function layer formed. Inclusions of voids in deposited glass layers are not desirable in the prior art. The inventors have found, however, that a layer can be provided, which serves as a functional layer because of the porosity, so the porosity certain functions of the layer, which will be described in more detail below, only made possible.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, gezielt Gradientenschichten, also Schichten mit einem
Porositätsgrad, der sich gezielt von außen nach innen ändert, zu erzeugen. Insbesondere ist gemäß der Erfindung vorgesehen, Schichten mit einer hohen Anfangsporosität auf Substratseite und einer geringeren Porosität auf der Außenseite zu erzeugen.According to the invention is provided, specifically gradient layers, ie layers with a Porosity, which changes from outside to inside, to produce. In particular, it is provided according to the invention to produce layers with a high initial porosity on the substrate side and a lower porosity on the outside.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für nahezu alle Arten von Substraten, insbesondere können auch KunststoffSubstrate verwendet werden. Mittels eines PVD- Verfahrens ist möglich, auch größere Substrate, wie Fenster, Displays etc. zu beschichten. Dies kann in bevorzugter Weise in Durchlaufanlagen erfolgen.The inventive method is suitable for almost all types of substrates, in particular, plastic substrates can be used. By means of a PVD process is possible to coat even larger substrates, such as windows, displays, etc. This can be done in a preferred manner in continuous systems.
Als Materialquelle wird ein Glastarget bereitgestellt. Das Glas kann beispielsweise durch Verdampfung, beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfung, oder durch Sputtern in die Gasphase überführt werden und scheidet sich dann auf dem Substrat ab.The material source is a glass target. The glass can be converted into the gas phase, for example, by evaporation, for example by electron beam evaporation, or by sputtering, and then deposited on the substrate.
Unter anderem über die Abscheiderate und über den Druck in der Anlage kann der Porositätsgrad der sich abscheidenden Schicht gesteuert werden. In der Regel führen dabei höhere Abscheideraten und/oder ein höherer Partialdruck zu höheren Porositäten.Among other things, the deposition rate and the pressure in the system, the degree of porosity of the depositing layer can be controlled. As a rule, higher deposition rates and / or a higher partial pressure lead to higher porosities.
Über die Zusammensetzung des Restgases lassen sich weiter spezielle Eigenschaften der Schicht, wie z.B. Haftfähigkeit auf Kunststoff oder auch Funktionseigenschaften, eingestellt werden.On the composition of the residual gas can be further special properties of the layer, such as. Adhesion to plastic or functional properties, can be adjusted.
An sich dem Fachmann bekannte Abscheideverfahren mittels Elektronenstahlverdampfung haben den Vorteil, dass sich die Substrattemperaturen sehr niedrig halten lassen und sich auch Substrate aus einem Polymermaterial beschichten lassen. Die geringe thermische Belastung durch das
Verdampfen ermöglicht zudem die Anwendung von photolithographischen Techniken und dabei insbesondere die Anwendung eines wärmeempfindlichen Photolacks oder Photoresists . Somit können dann auch einzelne Schichten aus porösem Glas strukturiert aufgebracht werden. Dies umfasst das einmalige oder mehrmalige Ausführen der nachfolgenden Verfahrensschritte aus Beschichten eines Substrates mit einer photosensitiven Resistschicht , photolithographisches Strukturieren der aufgebrachten Resistschicht, Beschichten des somit vorstrukturierten Substrates mit einer porösenElectron-steel vapor deposition methods which are known to the person skilled in the art have the advantage that the substrate temperatures can be kept very low and also substrates made of a polymer material can be coated. The low thermal load by the Vaporizing also allows the use of photolithographic techniques and in particular the application of a heat-sensitive photoresist or photoresist. Thus, individual layers of porous glass can then be applied in a structured manner. This comprises carrying out the following method steps once or several times from coating a substrate with a photosensitive resist layer, photolithographically structuring the applied resist layer, coating the thus pre-structured substrate with a porous resist
Glasschicht und Lift-Off der Resistschicht. Darüber hinaus zeichnet sich das Verdampfen, insbesondere das Elektronenstrahlverdampfen, durch eine gegenüber dem Sputtern erhöhte Abscheiderate aus.Glass layer and lift-off of the resist layer. In addition, the evaporation, in particular the electron beam evaporation, is characterized by an increased deposition rate compared to sputtering.
Der in Prozent angegebene Porositätsgrad im Sinne dieser Anmeldung ist definiert als Gesamtporosität, also die zahlenmäßige Angabe in Prozent über den Anteil des Porenvolumens am Gesamtvolumen, wobei sowohl die offenen als auch die geschlossenen Poren mit eingehen.For the purposes of this application, the degree of porosity specified is defined as the total porosity, ie the numerical indication in percent of the proportion of the pore volume in the total volume, with both the open and the closed pores being included.
Der Nachweis des integralen Porositätsgrads kann zum Beispiel über die Bestimmung der Schichtdichte erfolgen (z.B. mittels Röntgenreflexionsexperimente mit streifendem Einfall (GIXE) ) , oder ist aus der Massenbelegung derFor example, the detection of the integral degree of porosity can be accomplished by determining the layer density (e.g., by grazing incidence X-ray reflection experiments (GIXE)), or by mass occupancy
Schicht (bei der Herstellung über Schwingquarzmessungen erhältlich) und die geometrischen Schichtdicke (optisch bestimmbar) relativ zur Dichte des kompakten Ausgangsmaterials oder eines kompakten Glases mit gleicher chemischer Zusammensetzung wie die Schicht errechenbar.Layer (available in the manufacture of quartz crystal measurements) and the geometrical layer thickness (optically determinable) relative to the density of the compact starting material or a compact glass with the same chemical composition as the layer calculable.
Die (offenen) Porengrößen können auch mittels Diffusionsexperimenten ermittelt werden, wobei die Schicht Tracermolekülen unterschiedlicher Größe ausgesetzt wird und die Eindiffusion dieser Stoffe in die Schicht unter einer
gewissen Größe wird nachgewiesen. Weiter sind Transmissions- oder Rasterelektronenaufnahmen oder Lichtmikroskopaufnahmen an Schichtquerschnitten zur Bestimmung der Porengröße und -Verteilung (offen und geschlossen) möglich.The (open) pore sizes can also be determined by means of diffusion experiments, wherein the layer is exposed to tracer molecules of different sizes and the diffusion of these substances into the layer under a certain size is proved. Furthermore, transmission or scanning electron micrographs or light microscope images at layer cross sections for determining the pore size and distribution (open and closed) are possible.
Der Porositätsgrad kann auch über IR-Spektroskopie durchgeführt werden. IR-Spektroskopie wird im allgemeinen im nah- und mittleren IR-Gebiet (4.000 cm"1 bis 400 cm"1) durchgeführt und kann Aufschluss über die Zusammensetzung und Struktur von ODS geben. Zum Beispiel kann durch den Vergleich der Intensitäten von IR-Absorptionsbanden der relative Anteil von Schichtkonstituenten bestimmt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet der IR-Spektroskopie an ODS ist die Detektion von Verunreinigungen, wie Wasser oder Silanolgruppen, mit ihren charakteristischen Absorptionsbanden bei 3350 cm"1 (-OH) und 3650 cm"1 (Wasserstoffgebundene Silanolgruppen) . Über die Anwesenheit dieser Verunreinigungen können Rückschlüsse auf die Porosität der ODS gezogen werden (Maissei, Glang, "Handbook of Thin Film Technology", McGraw-Hill (1970)).The degree of porosity can also be carried out by IR spectroscopy. IR spectroscopy is generally carried out in the near and middle IR region (4,000 cm "1 to 400 cm " 1 ) and can provide information on the composition and structure of ODS. For example, by comparing the intensities of IR absorption bands, the relative proportion of layer constituents can be determined. Another field of application of IR spectroscopy to ODS is the detection of impurities, such as water or silanol groups, with their characteristic absorption bands at 3350 cm -1 (-OH) and 3650 cm -1 (hydrogen-bonded silanol groups). Regarding the presence of these impurities conclusions can be drawn on the porosity of the ODS (Maissei, Glang, "Handbook of Thin Film Technology", McGraw-Hill (1970)).
Es wird vermutet, dass die Porosität unter anderem dadurch zustande kommt, dass insbesondere bei hohen Abscheideraten es zu Stengelwachstum von Glasschichten auf derIt is believed that the porosity is caused, inter alia, by the fact that, especially at high deposition rates, there is stem growth of glass layers on the
Substratoberfläche kommt. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Stengeln führen zu einer porösen Struktur der Glasschicht .Substrate surface comes. The spaces between the individual stems lead to a porous structure of the glass layer.
Unter Glasschicht im Sinne der Anmeldung wird auch eine teilkristalline Schicht verstanden, also eine Schicht, bei der das abgeschiedene Glas nicht vollständig eine amorphe Struktur hat.
In bevorzugter Weise liegt die Abscheiderate beim Aufbringen einer porösen Glasschicht zwischen 0,1 und 10 μm/min) , besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 8 μm/min und besonders bevorzugt zwischen 1 und 4 μm/min.In the context of the application, a glass layer is also understood to mean a partially crystalline layer, that is to say a layer in which the deposited glass does not completely have an amorphous structure. In a preferred manner, the deposition rate when applying a porous glass layer is between 0.1 and 10 μm / min, more preferably between 0.5 and 8 μm / min and particularly preferably between 1 and 4 μm / min.
Es hat sich herausgestellt, dass bei Abscheideraten von über 0,5 μm/min) die abgeschiedenen Strukturen zunehmend porös werden.It has been found that at deposition rates of over 0.5 microns / min), the deposited structures are increasingly porous.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es so möglich, Glasschichten mit einer Porosität zwischen 1 und 60 %, insbesondere zwischen 5 und 50 % zu erzeugen. Schichten mit derartigen Porositätsgraden eignen sich für eine ganze Reihe von Anwendungszwecken. Eine Schicht mit einem Porositätsgrad von über 60 % hat dagegen den Nachteil, dass die mechanische Stabilität sehr eingeschränkt ist.By means of the method according to the invention, it is thus possible to produce glass layers having a porosity between 1 and 60%, in particular between 5 and 50%. Layers of such porosity are suitable for a variety of applications. On the other hand, a layer with a degree of porosity of over 60% has the disadvantage that the mechanical stability is very limited.
In bevorzugter Weise wird eine Substrattemperatur von 12O0C nicht überschritten, es ist sogar möglich Substrattemperaturen von 1000C oder von 8O0C zu nicht zu überschreiten. So lässt sich auch organisches Material, insbesondere OLEDs beschichten.In a preferred manner, a substrate temperature of 12O 0 C is not exceeded, it is even possible substrate temperatures of 100 0 C or 8O 0 C not to be exceeded. Thus, organic material, in particular OLEDs can be coated.
Dies ist insbesondere möglich, wenn die poröse Glasschicht mittels eines Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahrens abgeschieden wird.This is particularly possible when the porous glass layer is deposited by means of an electron beam evaporation method.
Gemäß der Erfindung werden Schichtdicken mit einer Dicke von 1 nm bis 1000 μm ermöglicht.According to the invention, layer thicknesses with a thickness of 1 nm to 1000 μm are made possible.
Es kann also von der Monolage bis hin zu Schichten im Millimeter-Bereich eine nahezu beliebig dicke poröse Schicht erzeugt werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Materialquelle bereitgestellt, aus der eine Schicht aufwächst, die zumindest ein binäres System ergibt. Es hat sich herausgestellt, dass sowohl die optischen als auch die mechanischen Eigenschaften von solchen zumindest binären Glasschichten wesentlich besser sind. Es wird vermutet, dass solche binären Systeme weniger zum Kristallisieren neigen, so dass teilkristalline Strukturen, die sowohl für die optischen als auch für die mechanischen Eigenschaften des Glases nachteilig sind, im Wesentlichen vermieden werden.It can therefore be generated from the monolayer to layers in the millimeter range, a nearly arbitrarily thick porous layer. In one development of the invention, a material source is provided, from which a layer grows, which results in at least one binary system. It has been found that both the optical and the mechanical properties of such at least binary glass layers are significantly better. It is believed that such binary systems are less prone to crystallization so that semi-crystalline structures that are detrimental to both the optical and mechanical properties of the glass are substantially avoided.
Insbesondere Metalloxyde eignen sich gut zur Ausbildung eines solchen binären Systems.In particular, metal oxides are well suited to the formation of such a binary system.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden zumindest zwei verschiedene Materialquellen bereitgestellt. So ist es möglich, eine Mischstruktur zu erzeugen.According to a development of the invention, at least two different material sources are provided. So it is possible to create a mixed structure.
Insbesondere ist vorgesehen, durch Bereitstellen zweier Materialquellen, deren jeweilige Abscheiderate variiert werden kann, Schichten mit einer sich graduell ändernden Materialzusammensetzung zu erzeugen.In particular, by providing two sources of material whose respective deposition rate can be varied, it is envisioned to produce layers having a gradually varying composition of matter.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die poröse Glasschicht in einem Prozessschritt abgeschieden. Im Unterschied zu herkömmlichen Ätzverfahren ist es gemäß der Erfindung möglich, in einer Vakuumkammer in einem Verfahrensschritt eine poröse Schicht zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher wesentlich billiger und einfacher als herkömmliche Ätzverfahren.In a preferred embodiment of the invention, the porous glass layer is deposited in one process step. In contrast to conventional etching methods, it is possible according to the invention to produce a porous layer in a vacuum chamber in one method step. The inventive method is therefore much cheaper and easier than conventional etching.
Das Abscheiden der zumindest einen porösen Glasschicht erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei einem Druck von über 10~3 mbar, bevorzugt von 10~2 mbar.
P2006/008968In a preferred embodiment of the invention, the at least one porous glass layer is deposited at a pressure of more than 10 -3 mbar, preferably 10 -2 mbar. P2006 / 008968
Es hat sich herausgestellt, dass für ein PVD-Verfahren verhältnismäßig hohe Drücke dazu führen, dass sich bevorzugt poröse Schichten abscheiden.It has been found that for a PVD process, relatively high pressures tend to preferentially deposit porous layers.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird die zumindest eine poröse Glasschicht zur gezielten Änderung der optischen oder sonstigen Eigenschaften zumindest abschnittsweise dotiert. Eine Dotierung durch Fremdatome kann beispielsweise durch Co-Verdampfung eines Dotierungsmaterials, insbesondere von 3/5-Elementen wie Aluminium, Arsen, Gallium,In a further development of the invention, the at least one porous glass layer is doped at least in sections for a specific change of the optical or other properties. Doping by foreign atoms can be achieved, for example, by co-evaporation of a doping material, in particular of 3/5-elements such as aluminum, arsenic, gallium,
Phosphor oder Antimon erreicht werden. Solche Dotierungen sind besonders in der Elektrotechnik wichtig, wofür mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte poröse Glasschichten unter anderem verwendet werden.Phosphorus or antimony can be achieved. Such dopants are particularly important in electrical engineering, for which purpose porous glass layers produced by means of the method according to the invention are used inter alia.
Die poröse Glasschicht hat in bevorzugter Weise einen mittleren Porenquerschnitt zwischen 1 nm und 100 μm, bevorzugt zwischen 100 nm und 10 μm. Es ist möglich, ein breites Spektrum verschiedener Porenquerschnitte für unterschiedliche Anwendungen bereitzustellen. Der Porenquerschnitt bewegt sich dabei zumeist im Rahmen der Feinporosität. Insbesondere lassen sich, beispielsweise für ionenselektive Membranen auch poröse Glasschichten mit Porenquerschnitten von einem 1 nm bis 10 nm erzeugen.The porous glass layer preferably has an average pore cross section between 1 nm and 100 μm, preferably between 100 nm and 10 μm. It is possible to provide a wide range of different pore cross sections for different applications. The pore cross section usually moves within the scope of the fine porosity. In particular, it is also possible, for example for ion-selective membranes, to produce porous glass layers having pore cross sections of from 1 nm to 10 nm.
Gemäß der Erfindung kann die Porosität der Glasschicht, also der Porositätsgrad und der mittlere Porenquerschnitt über die Abscheiderate den Prozessdruck und die Substrattemperatur gesteuert werden. Es hat sich herausgestellt, dass höhere Abscheideraten und höhere Prozessdrücke in der Regel zu einer höheren Porosität führen. Auch niedrigere Temperaturen führen in der Regel zu höheren Porositäten.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird, insbesondere zur Steuerung des Porositätsgrades, beim Abscheiden Wasserdampf zugesetzt. Es hat sich gezeigt, dass durch das Einbringen von Wasserdampf der Porositätsgrad wesentlich erhöht wird. Es wird vermutet, dass durch chemische Wechselwirkung und sich bildende OH-Gruppen sich beim Abscheiden Klumpen oder Konglomerate bilden, die den Porositätsgrad erhöhen.According to the invention, the porosity of the glass layer, ie the degree of porosity and the average pore cross section, can be controlled via the deposition rate, the process pressure and the substrate temperature. It has been found that higher deposition rates and higher process pressures usually lead to higher porosity. Even lower temperatures usually lead to higher porosities. In a further development of the invention, water vapor is added during the deposition, in particular for controlling the degree of porosity. It has been shown that the degree of porosity is substantially increased by the introduction of water vapor. It is assumed that chemical precipitation and forming OH groups form clumps or conglomerates upon precipitation, which increase the degree of porosity.
Zur Erhöhung des Porositätsgrades kann alternativ ein organischer Stoff, insbesondere Methan, Ethan oder Acetylen zugesetzt werden. Man vermutet, dass durch Einbau organischer Restgruppen Hohlräume entstehen, die einen erhöhten Porositätsgrad zur Folge haben.To increase the degree of porosity, an organic substance, in particular methane, ethane or acetylene may alternatively be added. It is suspected that the incorporation of residual organic groups creates cavities that result in an increased degree of porosity.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden während des Abscheidens Nanopartikel, also Teilchen mit einer Abmessung von etwa 1 bis 10 nm mechanisch eingestäubt. Derartige Nanopartikel werden in der sich abscheidenden porösenIn one development of the invention, nanoparticles, that is to say particles having a dimension of approximately 1 to 10 nm, are mechanically dusted during the deposition. Such nanoparticles become porous in the depositing
Glasschicht eingebaut und führen zu einer Schicht mit einer nanoskalen Strukturierung.Glass layer incorporated and lead to a layer with a nanoscale structure.
Die poröse Glasschicht bildet bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Membran, also eine poröse Wand zur Trennung von Flüssigkeiten oder Gasen. Insbesondere sind durch gezielte Anpassung des Porositätsgrades und des mittleren Porenquerschnitts semipermeable Membranen herstellbar, mit denen eine Stofftrennung möglich ist.In a preferred embodiment of the invention, the porous glass layer forms a membrane, ie a porous wall for the separation of liquids or gases. In particular, by tailoring the degree of porosity and the average pore cross-section, semipermeable membranes can be produced, with which a material separation is possible.
Dass Herstellen von Membranen kann insbesondere das Ablösen von Schichten, vom Trägersubstrat umfassen, etwa auf mechanischem thermischem oder chemischem Wege. Auch kann das Trägersubstrat aufgelöst oder entfernt werden, etwa
durch Wegätzen, insbesondere mittels Ionenstrahl, chemisch oder durch Auflösen des Trägers (beispielsweise eines wasserlöslichen Trägersubstrats in Wasser) .In particular, the production of membranes may involve the detachment of layers from the carrier substrate, for example by mechanical thermal or chemical means. Also, the carrier substrate may be dissolved or removed, such as by etching away, in particular by ion beam, chemically or by dissolving the support (for example a water-soluble support substrate in water).
Als Substrate kommen insbesondere Polymere, insbesondere Polyethylenoxide in Betracht . Aufgrund von Prozesstemperaturen von unter 8O0C ist es möglich, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch derartige Materialien zu beschichten.Suitable substrates are, in particular, polymers, in particular polyethylene oxides. Due to process temperatures of below 8O 0 C, it is possible to coat by means of the method according to the invention also such materials.
Alternativ, insbesondere zur Ausbildung von Elektroden, kann auch ein ein Metall umfassendes Substrat verwendet werden .Alternatively, in particular for the formation of electrodes, a substrate comprising a metal can also be used.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird ein chiralesIn one embodiment of the invention is a chiral
Trägermaterial verwendet. So wird in einfacher Weise eine chirale Membran erzeugt, die zur Trennung von Enantiomeren verwendet werden kann.Carrier material used. Thus, a chiral membrane is easily generated which can be used to separate enantiomers.
Alternativ oder in Kombination können auch chiraleAlternatively or in combination can also chiral
Verbindungen eingedampft oder eingestäubt werden, um auch der porösen Glasschicht chirale Eigenschaften zu verleihen.Compounds are evaporated or dusted to give the porous glass layer chiral properties.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird ein katalytisch wirkender Stoff mit abgeschieden. Die poröse Glasschicht bildet so ein katalytisch wirkendes Material, dem die große Oberfläche einer solchen porösen Schicht zugute kommt.In a further development of the invention, a catalytically active substance is deposited with. The porous glass layer thus forms a catalytically active material, which benefits the large surface of such a porous layer.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auch kristalline Abschnitte abgeschieden werden.According to the invention, it is provided that crystalline sections are also deposited.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird Titandioxyd abgeschieden. Eine Titandioxyd umfassende Schicht kann beispielsweise in der Photochemie eingesetzt werden. Insbesondere lässt sich in wäßriger Umgebung bei
Bestrahlung mit Licht Sauerstoff und Wasserstoff freisetzen. Eine Titanoxid umfassende Schicht hat eine große Oberfläche und erzeugt effektiv naszierenden Sauerstoff, der weiter oxidierende und antibakterielle Wirkung hat, so dass die Weiterbildung u.a. zur Reinigung und Aufbereitung von Wasser eingesetzt werden kann.In a further development of the invention titanium dioxide is deposited. A titanium dioxide-containing layer can be used, for example, in photochemistry. In particular, it can be added in an aqueous environment Irradiation with light release oxygen and hydrogen. A layer comprising titanium oxide has a large surface area and effectively generates nascent oxygen, which has further oxidizing and antibacterial effects, so that the training can be used, inter alia, for the purification and treatment of water.
Generell können durch Co-Verdampfen beziehungsweise Einstäuben anderer Materialien Schichten mit verschiedenartigster Zusammensetzung geschaffen werden. Dabei können Farbstoffe, Nanomaterialien oder metallorganische Komplexe zugesetzt werden, wodurch sich Schichten für verschiedenste Einsatzbereiche erzeugen lassen .In general, by Co-evaporation or dusting of other materials layers can be created with a variety of composition. In this case, dyes, nanomaterials or organometallic complexes can be added, which can be produced layers for a variety of applications.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird die poröse Glasschicht mit einer Polymerlösung getränkt. Die Hohlräume werden also mit einer Polymerlösung zumindest teilweise ausgefüllt. Die Polymerlösung kann dabei selbst aufgrund ihrer chemischen oder optischen Eigenschaften Teil einer Funktionsschicht oder Träger von Stoffen mit chemischen oder optischen Eigenschaften sein.In a development of the invention, the porous glass layer is impregnated with a polymer solution. The cavities are thus at least partially filled with a polymer solution. The polymer solution may itself be part of a functional layer or carrier of substances with chemical or optical properties due to their chemical or optical properties.
Gemäß der Erfindung ist auch vorgesehen, eine Monomerlösung, also eine Lösung die zumindest ein Monomer umfasst zu verwenden, wobei das oder die Momomere erst in der Schicht auspolymerisiert werden.According to the invention, it is also provided to use a monomer solution, that is to say a solution which comprises at least one monomer, the monomer (s) first being polymerized out in the layer.
Es ist vorgesehen, die poröse Glasschicht mit halbleitendem Material zu verfüllen. Bei Bestrahlung mit Licht werden in dem halbleitenden Material Elektronen herausgelöst, welche an den Phasengrenzen getrennt zu den Elektroden transportiert werden. Ein derartig hergestelltes Substratmaterial lässt sich insbesondere in der Photvoltaik oder Photochemie verwenden.
Auch ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die poröse Glasschicht zumindest teilweise mit einem elektrisch leitenden Material zu füllen. Derartige Schichtsysteme können dann insbesondere in der Elektrotechnik und Elektronik verwendet werden, beispielsweise für Akkumulatoren .It is intended to fill the porous glass layer with semiconducting material. Upon irradiation with light, electrons are dissolved out in the semiconductive material, which are transported separately to the electrodes at the phase boundaries. A substrate material produced in this way can be used in particular in photovoltaics or photochemistry. It is also provided according to the invention to fill the porous glass layer at least partially with an electrically conductive material. Such layer systems can then be used in particular in electrical engineering and electronics, for example for accumulators.
Erfindungsgemäß lassen sich Gradientenschichten mit variierender Porosität abscheiden. Dabei kann eineAccording to the invention, gradient layers with varying porosity can be deposited. It can be a
Gradientenschicht sowohl mit nach außen zunehmenden als auch abnehmenden Porositätsgrad erzeugt werden.Gradient layer can be generated both with outwardly increasing and decreasing degree of porosity.
Es ist aber auch vorgesehen, eine Schicht mit alternierendem Porositätsgrad abzuscheiden. Eine solche Schicht mit alternierendem Porositätsgrad kann gemäß der Erfindung in einem Prozessschritt abgeschieden werden.However, it is also envisaged to deposit a layer with an alternating degree of porosity. Such a layer with alternating degree of porosity can be deposited according to the invention in one process step.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Schicht mit einem elektroluminiszenten Material zu versehen. Derartige elektroluminiszente Materialien lassen sich für die Herstellung von lichtemittierenden Bauteilen verwenden .In a further development of the invention, it is provided to provide the layer with an electroluminescent material. Such electroluminescent materials can be used for the production of light-emitting components.
Gemäß der Erfindung ist auch vorgesehen, derartigeAccording to the invention is also provided, such
Schichten mit einem elektroluminiszenten Material in der Optoelektronik einzusetzen.Use layers with an electroluminescent material in optoelectronics.
Neben der einfachen Herstellbarkeit solcher Schichten ist die thermische Belastbarkeit von Glas ein großer Vorteil .In addition to the ease of manufacture of such layers, the thermal capacity of glass is a great advantage.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird auf die poröse Glasschicht eine Versiegelungsschicht aufgebracht. Eine solche Versiegelungsschicht kann beispielsweise eine Glasschicht mit einer hohen Dichte sein, die ebenfalls
mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht beziehungsweise abgeschieden werden kann. Dies kann in besonders einfacher Weise in einem Prozessschritt erfolgen. So ist vorgesehen, die Prozessparameter derart zu verändern, dass am Ende eine dichte Schicht abgeschieden wird. Dies kann insbesondere durch Verringerung der Abscheiderate und/oder Verringerung des Drucks in der Anlage erfolgen. Eine solche Versiegelungsschicht umfasst in bevorzugter Weise ein binäres System und kann zusätzlich unter Ionenstrahlverdichten oder Plasmaeinwirkung abgeschieden werden, was eine weitere Steigerung der Dichte zur Folge hat.In a development of the invention, a sealing layer is applied to the porous glass layer. Such a sealing layer may be, for example, a glass layer having a high density, which also applied or deposited by means of a PVD process. This can be done in a particularly simple manner in one process step. Thus, it is intended to change the process parameters in such a way that a dense layer is deposited at the end. This can be done in particular by reducing the deposition rate and / or reducing the pressure in the system. Such a sealing layer preferably comprises a binary system and may additionally be deposited by ion beam compression or plasma action, resulting in a further increase in density.
Auch ist gemäß der Erfindung vorgesehen, eine poröse Glasschicht abzuscheiden, diese mit einer Lösung, insbesondere einer Monomer- oder Polymerlösung zu tränken und gegebenenfalls nach Trocknung bzw. Polymerisierung mit einer dichten Glasschicht zu versiegeln.It is also provided according to the invention to deposit a porous glass layer, to impregnate them with a solution, in particular a monomer or polymer solution and optionally to seal after drying or polymerization with a dense glass layer.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein alternatives Verfahren zum Herstellen poröser Glasschichten.The invention further relates to an alternative method for producing porous glass layers.
Gemäß diesem Verfahren werden zumindest ein erster Stoff und ein zweiter Stoff bereitgestellt. Aus den beiden Stoffen wird sodann ein Verbundmaterial herstellt.According to this method, at least a first substance and a second substance are provided. From the two materials then a composite material is produced.
Beispielsweise kann der erste Stoff ein Glas umfassen welches mit einem Füllstoff als zweitem Stoff zu einem Verbundmaterial geformt wird. Auch ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass sich ein Glas erst bei der Herstellung des Verbundmaterials bildet. Insbesondere kann der erste Stoff zunächst in kristalliner Form vorliegen und auf dem Substrat abgeschieden werden, wobei der dort glasartig erstarrt .
Der zweite Stoff wird schließlich zumindest teilweise entfernt, so dass eine poröse Glasschicht zurück bleibt.For example, the first fabric may comprise a glass which is formed into a composite with a filler as a second fabric. It is also provided according to the invention that a glass forms only in the production of the composite material. In particular, the first substance can initially be present in crystalline form and be deposited on the substrate, where it solidifies like a glass. The second material is finally at least partially removed so that a porous glass layer remains.
Der zweite Stoff kann also als Füllstoff angesehen werden und wird durch ein geeignetes Verfahren entfernt, so dass Hohlräume zurückbleiben. Als Ergebnis entsteht eine poröse Glasschicht. Im Sinne der Erfindung werden unter einer Glasschicht auch Schichten verstanden, die neben Glas auch nicht glasartige Stoffe umfassen. Denkbar ist sowohl eine vollständige Entfernung des zweiten Stoffes als auch eine teilweise Entfernung des zweiten Stoffes. Insbesondere ist vorgesehen, den zweiten Stoff nur teilweise zu entfernen, der Art dass zwar Hohlräume entstehen, Reste des zweiten Stoffes aber als Bindemittel einzelner Glaspartikel zurückbleiben.Thus, the second fabric can be considered a filler and is removed by a suitable method so that voids remain. The result is a porous glass layer. For the purposes of the invention, a glass layer is also understood as meaning layers which, in addition to glass, also comprise non-vitreous substances. It is conceivable both a complete removal of the second substance as well as a partial removal of the second substance. In particular, it is provided to remove the second material only partially, the way that cavities occur, but residues of the second substance remain as binders of individual glass particles.
Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht sowohl das Ausbilden einer porösen Glasschicht auf einem Substrat, wobei der erste und der zweite Stoff beispielsweise abgeschieden werden, als auch das Herstellen einer porösen Schicht als einzelne Schicht, ohne ein Substrat zu verwenden .This embodiment of the invention enables both the formation of a porous glass layer on a substrate, wherein the first and the second substance are deposited, for example, as well as the production of a porous layer as a single layer, without using a substrate.
Bevorzugterweise wird als erster Stoff ein Glas verwendet. Verwendet kann aber auch ein kristallines Material, welches erst beim Abscheiden auf einem Substrat eine glasartige Struktur bildet.Preferably, a glass is used as the first substance. However, it is also possible to use a crystalline material which forms a vitreous structure only when it is deposited on a substrate.
Um eine Struktur des Verbundmaterials zur erreichen, die die Erzeugung einer porösen Struktur ermöglicht, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der erste und der zumindest zweite Stoff als Stoffgemisch, also beispielsweise als eine Lösung oder eine Dispersion bereitgestellt werden. Während der Herstellung des Verbundmaterials entmischen sich die Stoffe zumindest teilweise durch Phasenseparation. Die
Mischung hat eine Struktur, die aufgrund der feinen Verteilung des ersten Stoffes nicht die Ausbildung einer porösen Glasschicht ermöglicht. Während der Herstellung des Verbundmaterials, also beispielsweise beim Abscheiden einer Schicht, entmischen sich die Stoffe der Art, dass eine Struktur mit hinreichend großen Einschlüssen eines Füllstoffes entsteht. Der Füllstoff wird sodann entfernt und eine poröse Glasschicht bleibt zurück. Im Sinne der Erfindung könnte also auch das Verbundmaterial noch als Mischung bezeichnet werden, die Einschlüsse des zweitenIn order to achieve a structure of the composite material which enables the production of a porous structure, it is provided according to the invention that the first and the at least second substance are provided as a mixture of substances, that is to say for example as a solution or a dispersion. During the production of the composite material, the substances segregate at least partially by phase separation. The Mixture has a structure that does not allow the formation of a porous glass layer due to the fine distribution of the first substance. During the production of the composite material, that is, for example, during the deposition of a layer, the substances segregate such that a structure with sufficiently large inclusions of a filler is formed. The filler is then removed and a porous glass layer remains. For the purposes of the invention, therefore, the composite material could still be referred to as a mixture, the inclusions of the second
Stoffes im ersten Stoff nehmen im Mittel nur mehr Volumen ein, so dass die Herstellung einer Schicht mit einem messbaren Porositätsgrad möglich wird.Substance in the first substance takes on average only more volume, so that the production of a layer with a measurable degree of porosity is possible.
Alternativ oder in Kombination ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Stoffe erst nach der Herstellung des Verbundmaterials zumindest teilweise entmischt werden. Dies erfolgt insbesondere durch Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch Einwirkung von Licht oder durch Einwirkung von elektrisch geladenen Teilchen, insbesondere durch Einwirkung von Ionen. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass über die Dauer der Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung der Grad der Entmischung und damit die Porengröße beeinflusst werden kann. Alternativ oder in Kombination kann die Entmischung auch durch Erwärmung erfolgen.Alternatively or in combination, it is provided according to the invention that the substances are at least partially segregated only after the production of the composite material. This is done in particular by the action of electromagnetic radiation, in particular by the action of light or by the action of electrically charged particles, in particular by the action of ions. This approach has the advantage that over the duration of the action of the electromagnetic radiation, the degree of segregation and thus the pore size can be influenced. Alternatively or in combination, the separation can also be effected by heating.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zumindest einer der Stoffe als Granulat bereitgestellt. Über die Korngröße und Korngrößenverteilung kann derIn a further embodiment of the invention, at least one of the substances is provided as granules. About the grain size and particle size distribution of the
Porositätsgrad und die Porositätsverteilung der porösen Glasschicht eingestellt werden. Gemäß der Erfindung ist sowohl vorgesehen, den Füllstoff oder ein Glas als Granulat bereitzustellen, als auch Füllstoff und Glas als Granulat bereitzustellen.
Über ein Granulat lassen sich poröse Glasschichten mit verhältnismäßig großen Poren erzeugen.Porosity and the porosity distribution of the porous glass layer can be adjusted. According to the invention, it is provided both to provide the filler or a glass as granules, as well as to provide filler and glass as granules. Granules can be used to produce porous glass layers with relatively large pores.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Herstellen des Verbundmaterials das Pressen eines Granulats. Diese Vorgehensweise eignet sich insbesondere, wenn ein Glasgranulat bereitgestellt wird und der Füllstoff zugleich als Kleber der einzelnen Glaskörner dienen soll. Durch dass Pressen entsteht an denIn a preferred embodiment of the invention, producing the composite material comprises pressing a granulate. This procedure is particularly suitable when a glass granulate is provided and the filler is also intended to serve as an adhesive of the individual glass grains. By pressing arises on the
Berührungspunkten der einzelnen Glaskörner eine feste Verbindung und beim Entfernen des Füllstoffes verbleiben die Reste des Füllstoffes bevorzugt an diesen Berührungspunkten .Touch points of the individual glass grains a solid compound and the removal of the filler remain the remains of the filler preferably at these points of contact.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Herstellung des Verbundmaterials zumindest ein Glasgranulat gesintert. Insbesondere ist vorgesehen, eine Mischung aus einen Glasgranulat und einem Salz einem Sinterprozess zu unterwerfen. Der Sinterprozess wird dabei bevorzugt so gesteuert, dass sich im Wesentlichen die Glaskörner an ihren Berührungspunkten miteinander verbinden. Das Salz kann dann leicht herausgelöst werden und es bleibt eine poröse Glasschicht zurück.In a particularly preferred embodiment of the invention, at least one glass granulate is sintered during the production of the composite material. In particular, it is provided to subject a mixture of a glass granulate and a salt to a sintering process. The sintering process is preferably controlled so that essentially connect the glass grains at their points of contact with each other. The salt can then easily be dissolved out and a porous glass layer remains behind.
Als Salz sind besonders Kochsalzkristalle vorgesehen, die sich leicht mit Wasser als Lösungsmittel auflösen lassen.The salt salt crystals are particularly provided, which can be easily dissolved with water as a solvent.
Die Größe der Salzkristalle wird der gewünschten Porengröße oder der gewünschten Porengrößenverteilung angepasst.The size of the salt crystals is adapted to the desired pore size or the desired pore size distribution.
Alternativ zum Auflösen des zweiten Stoffes, also des Füllstoffes wird der zweite Stoff in einem Ätzbad zumindest teilweise weggeätzt. Durch Ätzverfahren lassen sich auch
Mischungen aus zwei verschiedenen Gläsern verwenden, wenn ein Ätzmittel verwendet wird, welches im Wesentlichen nur auf eine Komponente wirkt.As an alternative to dissolving the second substance, that is to say the filler, the second substance is at least partially etched away in an etching bath. By etching can also be Use blends of two different glasses when using an etchant that acts essentially on only one component.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verbundmaterial, welches eine abgeschiedene Glasschicht mit einem Porositätsgrad von über 1 % oder eine mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Schicht umfasst. Ein derartiges Verbundmaterial zeichnet sich durch eine hohe Robustheit aus und ist insbesondere mittels eines der erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich einfacher herzustellen als herkömmliche Verbundmaterialien mit einer porösen Schicht.The invention further relates to a composite material which comprises a deposited glass layer with a degree of porosity of more than 1% or a layer produced by means of a method according to the invention. Such a composite material is characterized by a high degree of robustness and is in particular by means of one of the inventive method much easier to produce than conventional composite materials with a porous layer.
Die Erfindung beinhaltet weiterhin ein Verbundmaterial, welches zumindest eine abgeschiedene poröse Glasschicht umfasst. In einer Ausführungsform weist die abgeschiedene poröse Glasschicht einen Porositätsgrad von über 1 % auf. Vorzugsweise ist die poröse Glasschicht mittels eines PVD- Verfahrens, insbesondere mittels Verdampfens, abgeschieden.The invention further includes a composite material comprising at least one deposited porous glass layer. In one embodiment, the deposited porous glass layer has a degree of porosity of over 1%. Preferably, the porous glass layer is deposited by means of a PVD process, in particular by evaporation.
Die erfindungsgemäßen Verbundsubstrate sind herstellbar, insbesondere hergestellt, mit einem Verfahren zum Aufbringen poröser Glasschichten oder mit einem Verfahren zum Aufbringen von Glasschichten oder mit einem Verfahren zum Herstellen poröser Glasschichten.The composite substrates according to the invention can be produced, in particular produced, with a method for applying porous glass layers or with a method for applying glass layers or with a method for producing porous glass layers.
Gemäß der Erfindung kann das Verbundmaterial sowohl eine einzelne poröse Glasschicht umfassen, als auch ein Substrat, welches mit einer erfindungsgemäßen porösenAccording to the invention, the composite material may comprise both a single porous glass layer, as well as a substrate, which with a porous according to the invention
Glasschicht belegt ist. Unter Verbundmaterial wird also jedes Material verstanden, welches zumindest zwei Funktionskomponenten umfasst.
Ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial kann für eine, ganze Reihe von Anwendungen verwendet werden.Glass layer is occupied. By composite material is thus understood any material which comprises at least two functional components. A composite material according to the invention can be used for a whole range of applications.
Mittels der Erfindung können Membranen bereit gestellt werden. Dabei wird bei der ersten Ausführungsform der Erfindung die poröse Schicht auf einem Trägersubstrat abgeschieden, dass Trägersubstrat wird sodann ausgedünnt und zumindest teilweise entfernt. Zum Ausdünnen eignen sich sowohl chemische als auch mechanische Verfahren. So kann ein Substrat verwendet werden, welches aufgelöst oder weggeätzt werden kann.By means of the invention, membranes can be provided. In this case, in the first embodiment of the invention, the porous layer is deposited on a carrier substrate, the carrier substrate is then thinned out and at least partially removed. For thinning both chemical and mechanical processes are suitable. Thus, a substrate can be used which can be dissolved or etched away.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann auf ein Substrat verzichtet werden, so dass sich dessen Entfernung erübrigt.In the second embodiment of the invention can be dispensed with a substrate, so that its removal is unnecessary.
Beispielsweise ist gemäß der Erfindung vorgesehen, das Verbundmaterial in der Elektrochemie zu verwenden. Dabei zeichnet sich das Material durch eine hohe Korrosionsresistenz auch bei höheren Temperaturen sowie durch eine mechanische Robustheit aus. Eine poröse Glasschicht hat gute Benetzungseigenschaften, insbesondere bei wasserlöslichen Verbindungen.For example, it is provided according to the invention to use the composite material in electrochemistry. The material is characterized by a high corrosion resistance even at higher temperatures and by a mechanical robustness. A porous glass layer has good wetting properties, especially in the case of water-soluble compounds.
Abgeschieden auf einem polymeren Trägermaterial oder einem Metallsubstrat kann eine Membran, die aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial gebildet wird, in Brennstoffzellen eingesetzt werden.Deposited on a polymeric carrier material or a metal substrate, a membrane formed from a composite material according to the invention can be used in fuel cells.
Eine solche Membran mit einer Glasschicht hat im Gegensatz zu herkömmlichen Polymer-Membranen den Vorteil, dass sie wesentlich weniger einem Alterungsprozess unterliegt.Such a membrane with a glass layer has the advantage, in contrast to conventional polymer membranes, that it undergoes much less aging.
Über eine gezielte Einstellung der Porosität können ionenselektive Membranen erzeugt werden. Beispielsweise
ist vorgesehen, eine ionenselektive Membran für Akkumulatoren, insbesondere für Litiumionenzellen zu verwenden. Das Transportmedium umfasst dabei ein Polymer, insbesondere ein Polyethylenoxid. Durch geringe mögliche Schichtdicken lassen sich extrem flache Akku-Zellen herstellen .By means of a specific adjustment of the porosity, ion-selective membranes can be produced. For example is intended to use an ion-selective membrane for accumulators, in particular for lithium ion cells. The transport medium comprises a polymer, in particular a polyethylene oxide. Due to low possible layer thicknesses, extremely flat battery cells can be produced.
Aber auch für eine ganze Reihe anderer Anwendungen werden ionenselektive Elektroden benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den Vorteil, dass der Porositätsgrad sich nahezu beliebig einstellen lässt.But also for a whole range of other applications, ion-selective electrodes are needed. The inventive method has the advantage that the degree of porosity can be set almost arbitrarily.
Auch für Katalysatoren ist das erfindungsgemäße Verbundmaterial vorgesehen. So lassen sich beispielsweise durch Co-Verdampfung von katalytischen Stoffen Membranen erzeugen, welche katalytisch aktiv sind.The composite material according to the invention is also provided for catalysts. Thus, for example, by coevaporation of catalytic substances, membranes can be produced which are catalytically active.
Dabei kann auch ein Mehrschichtsystem zum Einsatz kommen, in dessen Schichten verschiedene Reaktionsmaterialien bereitgestellt sind. Die durch die Poren resultierendeIn this case, a multi-layer system may be used in whose layers various reaction materials are provided. The resulting through the pores
Trennung der Orte einer katalytischen Reaktion führt dazu, dass unerwünschte Nebenreaktionen weitgehend unterbunden werden können.Separation of the sites of a catalytic reaction means that unwanted side reactions can be largely prevented.
Die erfindungsgemäßen Aufdampfglasschichten können des Weiteren zur Stofftrennung verwendet werden. So ist vorgesehen, derartige Schichten als molekulares Sieb beziehungsweise molekularen Filter zu verwenden. Es ist möglich, die Porengröße auf einen sehr engen Bereich einzustellen. So lassen sich einzelne Moleküle, Ionen etc. selektiv entfernen. Es ist von Vorteil, dass auch stark korrosiv oder chemisch aggressiv wirkende Stoffe sich mit einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial leicht trennen lassen.
Durch Einbringen von chiralen Stoffen in das Substrat oder in die poröse Glasschicht lassen sich chirale Membranen zur Trennung von Enantiomeren erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein chiraler Stoff in die poröse Schicht eingebracht werden, etwa durch Einstäuben von chiralem Material.The vapor-deposited glass layers according to the invention can furthermore be used for substance separation. It is intended to use such layers as a molecular sieve or molecular filter. It is possible to set the pore size to a very narrow range. This allows individual molecules, ions, etc. to be removed selectively. It is advantageous that substances which have a highly corrosive or chemically aggressive action can easily be separated with a composite material according to the invention. By introducing chiral substances into the substrate or into the porous glass layer, chiral membranes can be used to separate enantiomers. Alternatively or additionally, at least one chiral material can be introduced into the porous layer, for example by dusting on chiral material.
Auch zur Trennung von Gasen, insbesondere im Bereich Osmose und Umkehr-Osmose lässt sich das erfindungsgemäßeAlso for the separation of gases, in particular in the field of osmosis and reverse osmosis, the inventive
Verbundmaterial verwenden. Durch die hohe mechanische Stabilität können solche Prozesse bei höheren Drücken gefahren werden als bei herkömmlichen rein polymeren Materialien .Use composite material. Due to the high mechanical stability of such processes can be driven at higher pressures than conventional pure polymeric materials.
Auch im medizinischen Bereich lässt sich das erfindungsgemäße Verbundmaterial verwenden. Es besitzt eine hohe Biokompatibilität, wird von Körperzellen nicht angegriffen und kann daher sowohl für medizinische Anwendungen in als auch außerhalb des Körpers verwendet werden. Insbesondere ist die Verwendung eines derartigen Materials zur Dialyse vorgesehen. Auch ist vorgesehen, das erfindungsgemäße Verbundmaterial bei der Herstellung von Implantaten zu verwenden. Die Schicht aus porösem Glas kann dabei beispielsweise als Trägermaterial, in welchem biologische Strukturen wachsen können, verwendet werden.The composite material according to the invention can also be used in the medical field. It has high biocompatibility, is not attacked by body cells and can therefore be used both for medical applications in and out of the body. In particular, the use of such a material for dialysis is provided. It is also envisaged to use the composite material according to the invention in the manufacture of implants. The layer of porous glass can be used, for example, as a carrier material in which biological structures can grow.
Weiter ist vorgesehen, das erfindungsgemäße Verbundmaterial in der Optoelektronik zu verwenden. Es lassen sich dünne Schichten erzeugen, die wellenlängenselektiv sind, das heißt nur bestimmte Wellenlängen beeinflussen, z.B. durch Streuung oder Interferenzeffekte.
Über Prozessparameter sowie durch Dotierung und Co- Verdampfen von anderen Materialien lassen sich Schichten mit verschiedenartigsten optischen Eigenschaften erzeugen und es sind auf einfache Weise beispielsweise optische Filter, Spiegelschalter und Cavities herstellbar. Auch für die optische Datenspeicherung können derartige Schichten verwendet werden.It is further provided to use the composite material according to the invention in optoelectronics. It is possible to produce thin layers which are wavelength-selective, that is to say they influence only certain wavelengths, for example by scattering or interference effects. Process parameters as well as doping and co-evaporation of other materials can be used to produce layers with a wide variety of optical properties, and optical filters, mirror switches and cavities can be produced in a simple manner, for example. Such layers can also be used for optical data storage.
Poröses Aufdampfglas ermöglicht insbesondere ein einfaches Verfahren zum Herstellen von photonischen Kristallen oder eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundsubstrats in photonischen Anwendungen. Photonische Anwendungen umfassen beispielsweise optische Schalter oder optische Filter.Porous vapor deposition glass in particular enables a simple process for producing photonic crystals or a use of the composite substrate according to the invention in photonic applications. Photonic applications include, for example, optical switches or optical filters.
Optische Schalter stellen eine Komponente in optischen Netzen dar, die beispielsweise Lichtsignale zwischen verschiedenen Lichtwellenleitern schalten, ohne die Signale vorher in elektrische Signale umwandeln zu müssen.Optical switches are a component in optical networks that switch, for example, light signals between different optical waveguides, without having to convert the signals beforehand into electrical signals.
Photonische Kristalle zeichnen sich insbesondere durch einen räumlich periodisch variierenden Brechungsindex aus. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können reproduzierbar die periodischen Eigenschaften eines solchen photonischen Kristalls erzielt werden. Dabei können die Eigenschaften der photonischen Kristalle insbesondere durch die Größe der Poren gesteuert werden. Weiterhin können die Poren mit ausgewählten Materialien befüllt werden. Mögliche Materialien hierbei können ferroelektrische, ferromagnetische und/oder polymerische Materialien sein. Dabei können die Eigenschaften der photonischen Kristalle durch die Größe der Poren und/oder die Materialien zur Porenfüllung gesteuert werden. Über externe elektrische, magnetische und/oder optische Felder kann dann das Verhalten des Struktur gesteuert werden.
Durch die Aufdampftechnik kann das Glas mit den vorstehend genannten Materialien als Partner, vorzugsweise strukturiert, abgeschieden werden, um den gewünschten optischen Effekt zu erzielen. Weitere Beispiele für die vorstehend genannten Partner umfassen wellenlängenabhängige Nanopartikel oder Farbstoffe. Ein Vorteil dabei ist die einfache Prozessführung durch die Möglichkeit der gleichzeitigen Co-Verdampfung der Partner und ein Steuern der Porengröße.Photonic crystals are characterized in particular by a spatially periodically varying refractive index. By means of the method according to the invention, the periodic properties of such a photonic crystal can be reproducibly achieved. The properties of the photonic crystals can be controlled in particular by the size of the pores. Furthermore, the pores can be filled with selected materials. Possible materials here may be ferroelectric, ferromagnetic and / or polymeric materials. The properties of the photonic crystals can be controlled by the size of the pores and / or the materials for pore filling. The behavior of the structure can then be controlled via external electrical, magnetic and / or optical fields. By means of the vapor deposition technique, the glass can be deposited with the abovementioned materials as a partner, preferably structured, in order to achieve the desired optical effect. Further examples of the aforementioned partners include wavelength-dependent nanoparticles or dyes. An advantage here is the simple process control by the possibility of simultaneous co-evaporation of the partners and controlling the pore size.
Die erfindungsgemäßen porösen Glasschichten sind gemäß der Erfindung insbesondere auch als Interferenz- und Entspieglungsschichten vorgesehen. Eine poröse Glasschicht hat einen geringeren Brechwert wie eine kompakteThe porous glass layers according to the invention are provided according to the invention in particular as interference and Entspieglungsschichten. A porous glass layer has a lower refractive index than a compact one
Glasschicht. Bevorzugterweise beträgt bei senkrechtem Lichteinfall die Dicke der Schicht in etwa H der zu entspiegelnden Wellenlänge, bei schrägem Einfall sind dickere Schichten anzusetzen.Glass layer. In the case of normal incidence of light, the thickness of the layer is preferably approximately H of the wavelength to be attenuated, and in the case of oblique incidence, thicker layers are to be used.
Mittels entsprechender Maskierungstechnik können ebenfalls Linsen, DOEs oder Fresnel-Linsen aus unterschiedlich dichtem Material hergestellt werden.By means of the corresponding masking technique, lenses, DOEs or Fresnel lenses can also be produced from differently dense material.
Durch Einbetten von Farbstoffen, Nanomaterialien oder Halbleitern ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials z.B. als Matrix auch in der Photovoltaik, Elektrolumineszenz, Photolumineszenz oder Photochemie vorgesehen.By embedding dyes, nanomaterials or semiconductors, the use of the composite material according to the invention is e.g. as a matrix also in photovoltaics, electroluminescence, photoluminescence or photochemistry provided.
Gemäß der Erfindung können die zur Erzeugung einer photochemisch oder elektrochemisch aktiven Schicht erforderlichen Stoffe in einem Schritt Co-verdampft werden und in und über die poröse Glasschicht verteilt abgeschieden werden. Die so gebildeten Schichten haben eine
sehr hohe Oberfläche. Über photochemische Reduktions- oder Oxydationsprozesse lassen sich beispielsweise frei werdende Gase durch eine poröse Glasschicht gezielt heraus filtern.According to the invention, the substances required to produce a photochemically or electrochemically active layer can be co-evaporated in one step and deposited in and distributed over the porous glass layer. The layers thus formed have one very high surface. By means of photochemical reduction or oxidation processes, gases released, for example, can be specifically filtered out through a porous glass layer.
Auch in der Elektrotechnik ist der Einsatz eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials, insbesondere mit einem Metallsubstrat vorgesehen.Also in electrical engineering is the use of a composite material according to the invention, in particular provided with a metal substrate.
Dabei kommt der porösen Glasschicht insbesondere zugute, dass Glas eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist.The porous glass layer is particularly beneficial in that glass has a high dielectric strength.
Die Erfindung betrifft daher auch eine ionenselektive Elektrode, einen Akkumulator, ein Katalysatormaterial, einen Filter, ein Trägermaterial für biologische Strukturen, ein Implantat für menschliche oder tierische Organismen, einen optischen Datenspeicher, ein optoelektronisches Bauteil, ein elektrotechnisches Bauteil und einen Kondensator, jeweils umfassend zumindest ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial .The invention therefore also relates to an ion-selective electrode, an accumulator, a catalyst material, a filter, a carrier material for biological structures, an implant for human or animal organisms, an optical data storage, an optoelectronic component, an electrical component and a capacitor, each comprising at least a composite material according to the invention.
Weiter betrifft die Erfindung eine Anti-Beschlag-Schicht oder Anti-Frost-Schicht. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hydrophile Schichten bilden lassen, durch die sich eine Kondensation von Wasser oder eine Eisbildung auf einer Oberfläche zumindest für einen begrenzten Zeitraum verhindern lässt. Das Wasser wird dabei von der porösen Schicht aufgenommen und wird, nachdem sich das Trägersubstrat auf die Umgebungstemperatur erwärmt hat oder sich die sich die Temperaturen von Oberfläche und Umgebung angepasst haben, abgegeben. Eine derartige Anti-Beschlag- Schicht oder Anti-Frost-Schicht eignet sich insbesondere wegen ihrer Temperaturbeständigkeit für eine ganze Reihe von Anwendung, wie beispielsweise Fahrzeugscheiben, Sehhilfen oder Kühlgeräte.
Die Anti-Beschlag- oder Anti-Frost-Wirkung der Schicht kann durch Nanopartikel, insbesondere durch eingestäubte Siliziumnanopartikel verbessert werden.Furthermore, the invention relates to an anti-fog layer or anti-frost layer. The inventors have found that by means of a method according to the invention hydrophilic layers can be formed by which condensation of water or ice formation on a surface can be prevented for at least a limited period of time. The water is absorbed by the porous layer and, after the carrier substrate has heated to the ambient temperature or have adapted to the temperatures of the surface and the environment, discharged. Such an anti-fogging layer or anti-frost layer is particularly suitable because of its temperature resistance for a whole range of applications, such as vehicle windows, vision aids or refrigerators. The anti-fogging or anti-frost effect of the layer can be improved by nanoparticles, in particular by dusted silicon nanoparticles.
Weiter kann die hydrophile Eigenschaft durch organische Polymere, inbesondere ein Polyurethan oder ein Polyvinylalkohol verbessert werden. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird dabei eine poröse Glasschicht mit einem organischen Polymer getränkt. Sodann wird das Polymer ablaufen gelassen, so dass die Poren zumindest teilweise wieder offen sind, aber mit dem Polymer benetzt sind. Das Polymer wird dann ausgehärtet. Hierzu kann bei Anwendung eines Trockungsverfahrens eine Polymerlösung verwendet werden. Alternativ wird das Polymer durch eine Polymerisation ausgehärtet, die beispielsweise durch Bestrahlung mit UV-Licht erzeugt werden kann. So entsteht eine poröse Glasschicht, die einen Polymerüberzug aufweist .Furthermore, the hydrophilic property can be improved by organic polymers, in particular a polyurethane or a polyvinyl alcohol. In a particular embodiment of the invention, a porous glass layer is impregnated with an organic polymer. The polymer is then allowed to drain so that the pores are at least partially open again but wetted with the polymer. The polymer is then cured. For this purpose, when using a drying process, a polymer solution can be used. Alternatively, the polymer is cured by a polymerization that can be generated, for example, by irradiation with UV light. The result is a porous glass layer that has a polymer coating.
Weitere Verwendungen von porösen Glasschichten sind in den DE 3222675, EP 310911, DE 3733636, EP 389896, DE 3909341, DE 3909341, DE 4005366, DE 4111879, EP 508343 und WO 05042798 beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit inkorporiert wird.Further uses of porous glass layers are described in DE 3222675, EP 310911, DE 3733636, EP 389896, DE 3909341, DE 3909341, DE 4005366, DE 4111879, EP 508343 and WO 05042798, the entire disclosure content of which is hereby incorporated.
Es versteht sich, dass die jeweiligen Bauteile auch das Substrat des Verbundmaterials bilden können und somit Teil eines solchen Verbundmaterials sein können.It is understood that the respective components can also form the substrate of the composite material and thus can be part of such a composite material.
Allgemeine Beschreibung der ZeichnungenGeneral description of the drawings
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 12 näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials .The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings Fig. 1 to Fig. 12. Fig. 1 shows schematically an embodiment of a composite material according to the invention.
Fig. 2 zeigt schematisch ein weiteresFig. 2 shows schematically another
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials .Embodiment of a composite material according to the invention.
Fig. 3 zeigt schematisch eine PVD-Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.Fig. 3 shows schematically a PVD system for carrying out a method according to the invention.
Fig. 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Datenspeicher .Fig. 4 shows schematically a data memory according to the invention.
Fig. 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Elektrode.Fig. 5 shows schematically an electrode according to the invention.
Fig. 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Implantat .Fig. 6 shows schematically an implant according to the invention.
Fig. 7 zeigt schematisch ein Flussbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens.Fig. 7 shows schematically a flow chart of a method according to the invention.
Fig. 8 und 9 zeigt schematisch die Herstellung einer porösen Glasschicht mittels Phasenseparation.FIGS. 8 and 9 schematically show the production of a porous glass layer by means of phase separation.
Fig. 10 bis 12 zeigen schematisch die Schritte zur Herstellung einer porösen Glasschicht mit einem weiteren alternativen Verfahren.FIGS. 10 to 12 schematically show the steps for producing a porous glass layer with another alternative method.
Fig. 13. a bis 13. c zeigen schematisch die Herstellung einer beispielhaft strukturierten porösen Glasschicht.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen13 a to 13 c show schematically the production of an exemplary structured porous glass layer. Detailed description of the drawings
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials 1. Das Verbundmaterial 1 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel ein Substrat 2, hier ausgestaltet als KunststoffSubstrat . Auf der Oberseite des Substrats 2 ist mittels eines PVD-Verfahrens eine poröse Glasschicht 3 abgeschieden. Die poröse Glasschicht 3 hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke zwischen 100 und 600 nm. Das Verbundmaterial 1 eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen.1 schematically shows an exemplary embodiment of a composite material 1 according to the invention. In this exemplary embodiment, the composite material 1 comprises a substrate 2, configured here as a plastic substrate. On the upper side of the substrate 2, a porous glass layer 3 is deposited by means of a PVD method. The porous glass layer 3 in this embodiment has a thickness of between 100 and 600 nm. The composite material 1 is suitable for a variety of applications.
Fig. 2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials 1. Das Verbundmaterial 1 umfasst ein Substrat 2 aus einemFIG. 2 schematically shows another embodiment of a composite material 1 according to the invention. The composite material 1 comprises a substrate 2 made of one
Polymerwerkstoff. Auf das Substrats wurde mittels eines Elektronenstrahlverdampfungsverfahrens eine 100 bis 500 nm dicke poröse Glasschicht 3 mit einem Porositätsgrad zwischen 10 und 30 % abgeschieden. Die poröse Glasschicht 3 wurde sodann mit einer Versiegelungsschicht 4 versiegelt. Die Versiegelungsschicht wurde bei diesem Ausführungsbeispiel mit derselben Materialquelle (nicht dargestellt) aufgebracht wie die poröse Glasschicht 3. Um eine dichte Versiegelungsschicht 4 zu schaffen, wurde dazu die Abscheiderate der Anlage (nicht dargestellt) heruntergefahren und der Druck in der Anlage um etwa Faktor 10 verringert. Zusätzlich wurde die Versiegelungsschicht 4 mittels eines Ionenstrahl-Verdichtungsverfahren weiter verdichtet. Die Versiegelungsschicht 4 konnte so in einem Prozessschritt abgeschieden werden, hat aber keinen messbaren Porositätsgrad.Polymeric material. On the substrate was deposited by means of an electron beam evaporation method, a 100 to 500 nm thick porous glass layer 3 with a degree of porosity between 10 and 30%. The porous glass layer 3 was then sealed with a sealing layer 4. The sealing layer was applied in this embodiment with the same material source (not shown) as the porous glass layer 3. To create a dense sealing layer 4, the deposition rate of the system (not shown) was shut down and the pressure in the system was reduced by a factor of about 10 , In addition, the sealant layer 4 was further densified by an ion beam densification method. The sealing layer 4 could thus be deposited in one process step, but has no measurable degree of porosity.
Anstelle des Ionenstrahls könnten die Schichten auch unter Plasmaeinwirkung und/oder plasmaunterstützt abgeschieden werden. So kann eine verdichtete Schicht abgeschieden
werden, die nur eine äußerst geringe oder keine messbare Porosität aufweist.Instead of the ion beam, the layers could also be deposited under plasma action and / or plasma-assisted. This is how a compacted layer can be deposited which has only a very low or no measurable porosity.
Fig. 3 zeigt schematisch eine PVD-Anlage 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und geeignet zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials. In der PVD-Anlage 10 wird das Substrat 2, welches in einem Substrathalter 17 angeordnet werden kann, mittels eines Elektronenstrahlverfahrens beschichtet.3 schematically shows a PVD installation 10 for carrying out the method according to the invention and suitable for producing a composite material according to the invention. In the PVD apparatus 10, the substrate 2, which can be disposed in a substrate holder 17, is coated by an electron beam method.
Dazu ist in der Anlage 10 eine Elektronenquelle 11 angeordnet. Über einen Umlenkmagneten 12 wird der von der Elektronenquelle 11 ausgehende Elektronenstrahl auf ein scheibenförmiges Target 13 gerichtet. Das Target 13 ist bei dieser Ausführung zur Erreichung einer möglichst gleichmäßigen Abscheiderate um Rotationsachse 14 drehbar.For this purpose, an electron source 11 is arranged in the system 10. Via a deflection magnet 12, the electron beam emitted by the electron source 11 is directed onto a disk-shaped target 13. In this embodiment, the target 13 is rotatable about the axis of rotation 14 in order to achieve as uniform a deposition rate as possible.
Als Target 13 beziehungsweise Materialquelle ist hier einen Scheibe aus niedrigschmelzendem Borosilikatglas vorgesehen, welches bei diesem Ausführungsbeispiel noch ein Metalloxyd umfasst und so im abgeschiedenen Zustand auf dem Substrat 2 ein binäres System bildet.As a target 13 or material source here is a disc of low-melting borosilicate glass is provided, which in this embodiment, a metal oxide and thus forms a binary system in the deposited state on the substrate 2.
Durch den Elektrodenstrahl wird das Target 13 verdampft und scheidet sich auf dem Substrat 2 ab. Zum Ablenken vonThe target 13 is vaporized by the electron beam and deposits on the substrate 2. To distract from
Sekundärionen sind zwischen dem Substrat 2 und dem Target 13 noch zwei Elektroden 15 angeordnet, an denen eine Spannung anlegbar und ein elektrisches Feld erzeugbar ist. Die Richtung des Feldes ist mit einem Pfeil 16 markiert.Secondary ions are between the substrate 2 and the target 13 two electrodes 15 are arranged on which a voltage can be applied and an electric field can be generated. The direction of the field is marked with an arrow 16.
Die Anlage wird über eine Pumpe 18 evakuiert. Über ein Regelventil 19 kann der Anlagendruck geregelt werden.
Mittels der Pumpe 18 und des Regelventils 19 kann schon die Porosität der auf dem Substrat 2 abgeschiedenen Schicht gesteuert werden.The system is evacuated via a pump 18. About a control valve 19, the system pressure can be controlled. By means of the pump 18 and the control valve 19, the porosity of the deposited on the substrate 2 layer can already be controlled.
Zur weiteren Beeinflussung ist in der PVD-Anlage 10 noch eine Zuführung für Wasserdampf 23 vorgesehen. Die Zuführung des Wasserdampfes kann ebenfalls über ein Regelventil 22 kontrolliert werden. Alternativ oder zusätzlich können auch organischen Gase zugeführt werden.To further influence a supply of water vapor 23 is still provided in the PVD system 10. The supply of water vapor can also be controlled via a control valve 22. Alternatively or additionally, organic gases can also be supplied.
Beim Abscheiden führt der zugeführte Wasserdampf dazu, dass sich ein wesentlich höherer Porositätsgrad ergibt.During deposition, the supplied water vapor results in a much higher degree of porosity.
Weiter umfasst die Anlage 10 eine Zuführung für Feststoffpartikel 21, welche ebenfalls über ein Regelventil 20 regelbar ist.Furthermore, the system 10 comprises a feed for solid particles 21, which can also be regulated via a control valve 20.
Die Feststoffpartikel können in einem Fluidstrom, beispielsweise einer Argon-Atmosphäre über das Ventil zugeführt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Nanopartikel handeln, die auf dem Substrat 2 eine nanostrukturierte Schicht entstehen lassen.The solid particles may be supplied in a fluid stream, for example an argon atmosphere, via the valve. These can be, for example, nanoparticles which form a nanostructured layer on the substrate 2.
Alternativ können optisch aktive Substanzen zugeführt werden, durch die eine optische Funktionsschicht auf dem Substrat abgeschieden wird.Alternatively, optically active substances can be supplied, by means of which an optical functional layer is deposited on the substrate.
Als besonders geeignet als Aufdampfglas für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Aufbringen poröser Glasschichten haben sich Gläser erwiesen, die folgende Zusammensetzungsbereiche in Gewichtsprozent aufweisen :Glasses which have the following composition ranges in percent by weight have proven particularly suitable as vapor-deposition glass for a method according to the invention for applying porous glass layers:
Komponenten Glasbereichl Glasbereich2 SiO2 75 - 85 65 - 75
3Components Glass Areal Glass Area 2 SiO 2 75 - 85 65 - 75 3
B2O3 10 - 15 20 - 30B 2 O 3 10 - 15 20 - 30
Na2O 1 -5 0,1 - 1Na 2 O 1 -5 0.1 - 1
Li2O 0,1 - 1 0,1 - 1Li 2 O 0.1 - 1 0.1 - 1
K2O 0,1 - 1 0,5 - 5K 2 O 0.1 - 1 0.5 - 5
Al2O3 1 - 5 0,5 - 5Al 2 O 3 1 - 5 0.5 - 5
Bevorzugte Aufdampfgläser aus diesen Gruppen sind Gläser mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:Preferred vapor-deposited glasses from these groups are glasses having the following composition in percent by weight:
Komponenten Glasl Glas2Components Glasl Glas2
SiO2 84,1 % 71%SiO 2 84.1% 71%
B2O3 11,0 % 26%B 2 O 3 11.0% 26%
%Na2O «2,0 % 0,5%% Na 2 O «2.0% 0.5%
Li2O «0,3 % 0,5%Li 2 O «0.3% 0.5%
K2O «0,3 % 1,0%K 2 O «0.3% 1.0%
Al2O3 «2,6 % 1,0%Al 2 O 3 «2.6% 1.0%
Es sei darauf hingewiesen, dass die genannten Zusammensetzungen sich nicht auf die abgeschiedenen Schichten beziehen, die Zusammensetzung ändert sich vielmehr beim Aufdampfen.It should be noted that said compositions do not relate to the deposited layers, but the composition changes upon vapor deposition.
Die bevorzugt verwendeten Gläser besitzen insbesondere die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Eigenschaften:The preferred glasses used have in particular the properties listed in the table below:
Als besonders geeignet zum Aufdampfen poröser Glasschichten hat sich das Aufdampfglas Typ 8329 der Firma Schott erwiesen, welches folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:Particularly suitable for vapor deposition of porous glass layers, the evaporation glass Type 8329 Schott has proven, which has the following composition in weight percent:
SiO2 84 ,1 %SiO 2 84, 1%
B2O3 11 ,0 %B 2 O 3 11, 0%
Na2O » 2, 0 % 1Na 2 O 2, 0% 1
K2O * 0, 3 % 2,3 % 'in der Schicht 3,3 %)K 2 O * 0, 3% 2.3% 'in the layer 3.3%)
Li2O « 0,3 % JLi 2 O «0.3% J
Al2O3 * 2,6 (in der Schicht => 0,5 %,Al 2 O 3 * 2.6 (in the layer => 0.5%,
Der elektrische Widerstand des Ausgangsmaterials beträgt ungefähr 1010 Ω/cm (bei 1000C),The electrical resistance of the starting material is approximately 10 10 Ω / cm (at 100 0 C),
Dieses Glas weist in reiner Form ferner einen Brechungsindex von etwa 1,470 auf.This glass also has a refractive index of about 1.470 in pure form.
Die Dielektrizitätskonstante ε liegt bei etwa 4,8 (bei 25°C, IMHz), tgδ beträgt etwa 45 x 10"4 (bei 25°C, 1 MHz). Durch den Aufdampfprozeß und die unterschiedliche Flüchtigkeit der Komponenten dieses Systems ergeben sich leicht unterschiedliche Stöchiometrien zwischen dem Targetmaterial und der aufgedampften Schicht. Die
Abweichungen in der aufgedampften Schicht sind in Klammern angegeben.The dielectric constant ε is about 4.8 (at 25 ° C, IMHz), tgδ is about 45 x 10 "4 (at 25 ° C, 1 MHz). Due to the vapor deposition process and the different volatility of the components of this system are readily apparent different stoichiometries between the target material and the vapor deposited layer Deviations in the deposited layer are indicated in brackets.
Fig. 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Datenspeicher 30. Es handelt sich dabei um ein Substrat, welches mit einer porösen Glasschicht mit optischen Eigenschaften beschichtet ist. Dargestellt ist hier ein Plattenspeicher, dessen nähere Strukturierung nicht dargestellt ist.4 schematically shows a data memory 30 according to the invention. This is a substrate which is coated with a porous glass layer having optical properties. Shown here is a disk storage, whose detailed structuring is not shown.
Fig. 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Elektrode 40. Die Elektrode umfasst ein Metallsubstrat 41, welches auf der Elektrodenplatte mit einer porösen Glasschicht beschichtet ist. Eine solche Elektrode 40 kann beispielsweise für einen Hochleistungskondensator (nicht dargestellt) verwendet werden.5 shows schematically an electrode 40 according to the invention. The electrode comprises a metal substrate 41, which is coated on the electrode plate with a porous glass layer. Such an electrode 40 may be used, for example, for a high power capacitor (not shown).
Fig. 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Implantat 50. Das Implantat 50 ist hier ein Knochenimplantat, welches mit einer porösen Glasschicht beschichtet ist. Die poröse Glasschicht 50 erhöht die mechanische Stabilität der Oberfläche und dient gleichzeitig als Trägersubstrat für körpereigenes Material. So wächst ein solches Implantat besser im Körper an und die poröse Glasschicht hat eine hohe Bioresistenz.6 schematically shows an implant 50 according to the invention. The implant 50 here is a bone implant which is coated with a porous glass layer. The porous glass layer 50 increases the mechanical stability of the surface and at the same time serves as a carrier substrate for the body's own material. Thus, such an implant grows better in the body and the porous glass layer has a high resistance to bioresistance.
Fig. 7 zeigt schematisch ein Flussbild 60 eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß des Verfahrens wird ein Substrat bereitgestellt 61. Dann wird eine Materialquelle bereitgestellt 62. Das Substrat wird mit einer porösenFIG. 7 shows schematically a flowchart 60 of a method according to the invention. According to the method, a substrate is provided 61. Then, a source of material is provided 62. The substrate becomes porous
Glasschicht bedampft 63 und es werden parallel Nanopartikel eingestäubt 64. So entsteht ein Substrat mit einer nanostrukturierten Oberfläche, sodann wird das Substrat mittels eines Beschichtungsverfahrens aus der Flüssigphase, z.B. Spin-Coating, Dip-Coating-Verfahren oder eines
Druckverfahrens, wie z.B. Ink-Jet Printing oder Siebdruck, getränkt 65. Es können beispielsweise optisch aktive Materialien mittels eines Spin-Coating-Verfahrens in das Substrat eingebracht werden. Die Lösung zum Spin-Coaten kann ein Polymer und ein Lösungsmittel umfassen und so durch Abdampfen des Lösungsmittels eine feste Verbindung mit der porösen Glasschicht eingehen.Glass layer is vapor-deposited 63 and nanoparticles are dusted in parallel 64. The result is a substrate with a nanostructured surface, then the substrate by means of a coating process from the liquid phase, such as spin coating, dip coating method or a 65. For example, optically active materials can be introduced into the substrate by means of a spin-coating method. The spin-coating solution may comprise a polymer and a solvent to form a solid compound with the porous glass layer by evaporation of the solvent.
Fig. 8 und 9 zeigen schematisch die Herstellung einer porösen Glasschicht mittels Phasenseparation. Wie in Fig. 8 dargestellt, wird ein Verbundmaterial 1 bereit gestellt, welches ein Substrat 2 und eine Zweikomponentenschicht 5 umfasst. Die Zweikomponentenschicht 5 umfasst eine Mischung aus zwei verschiedenen Stoffen.8 and 9 show schematically the production of a porous glass layer by means of phase separation. As shown in FIG. 8, a composite material 1 comprising a substrate 2 and a two-component layer 5 is provided. The bicomponent layer 5 comprises a mixture of two different substances.
Wie in Fig. 9 dargestellt, wurde das Verbundmaterial 1 einer UV-Bestrahlung ausgesetzt. Durch die Bestrahlung haben sich die beiden Stoffe teilweise entmischt. Nach Entfernung einer Komponente ist eine poröse Glasschicht 3 zurück geblieben.As shown in Fig. 9, the composite material 1 was exposed to UV irradiation. Due to the irradiation, the two substances have partially segregated. After removal of a component, a porous glass layer 3 has remained.
Anhand der Figuren Fig. 10 bis 12 wird schematisch eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer porösen Glasschicht gezeigt.An alternative embodiment of a method for producing a porous glass layer is shown schematically with reference to FIGS. 10 to 12.
Fig. 10 zeigt eine Zweikomponentenschicht 5, die aus einem Glasgranulat und einem Salzgranulat gepresst ist. Die Salzkörner sind als schwarze Partikel dargestellt.Fig. 10 shows a two-component layer 5, which is pressed from a glass granules and a salt granules. The salt grains are shown as black particles.
Fig. 11 zeigt die Zweikomponentenschicht 5, nach dem sie einem Sinterprozess unterzogen wurde. Die einzelnen Glas- und Salzpartikel sind an ihren Grenzflächen miteinander verschmolzen. Anschließend wird das Salz in Wasser herausgelöst, so dass eine poröse Glasschicht zurück bleibt, wie in Fig. 12 schematisch dargestellt ist.
Die Figuren 13. a bis 13. c zeigen die Herstellung einer strukturierten porösen Glasschicht 3. Auf die zu strukturierende Seite des Substrats 2 wird eine Maske 6, beispielsweise in Form eines Photoresists, mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren aufgebracht und photolithografisch strukturiert. Die Strukturierung entspricht dabei dem Negativbild der zu erzeugenden Struktur. Es wird eine poröse Glasschicht 3 auf der strukturierten Seite des Substrats 2 abgeschieden. Innerhalb der Aussparungen der Maske 6 wird eine Glasschicht 3 unmittelbar auf dem Substrat 2 abgeschieden. Die poröse Glasschicht 3 kann zum Beispiel mittels Elektronenstrahlverdampfung oder Plasma-Ionenstrahl- unterstützter Elektronenstrahlverdampfung aufgebracht werden. Nachfolgend werden die auf der Maske 6 befindlichen Bereiche der abgeschiedenen Glasschicht 3 mittels Lift-Off entfernt. Hierzu wird der Photoresist zum Beispiel in Aceton abgelöst. Die abgeschiedene Glasschicht 3 in den Bereichen der Aussparungen der Maske bildet die gewünschte positive Struktur auf dem Substrat.Fig. 11 shows the two-component layer 5, after which it has been subjected to a sintering process. The individual glass and salt particles are fused together at their interfaces. Subsequently, the salt is dissolved out in water so that a porous glass layer remains, as shown schematically in FIG. 12. FIGS. 13a to 13c show the production of a structured porous glass layer 3. On the side of the substrate 2 to be structured, a mask 6, for example in the form of a photoresist, is applied by a method known to a person skilled in the art and patterned photolithographically. The structuring corresponds to the negative image of the structure to be generated. A porous glass layer 3 is deposited on the structured side of the substrate 2. Within the recesses of the mask 6, a glass layer 3 is deposited directly on the substrate 2. The porous glass layer 3 may be applied, for example, by electron beam evaporation or plasma ion beam assisted electron beam evaporation. Subsequently, located on the mask 6 areas of the deposited glass layer 3 are removed by means of lift-off. For this purpose, the photoresist is removed, for example, in acetone. The deposited glass layer 3 in the areas of the recesses of the mask forms the desired positive structure on the substrate.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass jede Kombination von Merkmalen, die der Fachmann für sinnvoll halten würde, Gegenstand der Erfindung ist.
It is understood that the invention is not limited to the embodiments described here, but that any combination of features that would be considered appropriate by a person skilled in the art is the subject of the invention.
Bezugzeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Verbundmaterial1 composite material
2 Substrat2 substrate
3 poröse Glasschicht3 porous glass layer
4 Versiegelungsschicht4 sealing layer
5 Zweikomponentenschicht5 two-component layer
6 Maske6 mask
10 PVD-Anlage10 PVD system
11 Elektronenquelle11 electron source
12 Umlenkmagnet12 deflection magnet
13 Target13 target
14 Rotationsachse14 rotation axis
15 Elektrode15 electrode
16 Pfeil16 arrow
17 Substrathalter17 substrate holder
18 Pumpe18 pump
19 Regelventil19 control valve
20 Regelventil20 control valve
21 Zuführung Feststoffpartikel21 feed solid particles
22 Regelventil22 control valve
23 Zuführung Wasserdampf 30 optischer Datenspeicher23 supply water vapor 30 optical data storage
40 Elektrode40 electrode
41 Metallsubstrat41 metal substrate
42 Elektrodenplatte 50 Implantat42 electrode plate 50 implant
60 Flussdiagramm60 flowchart
61 Substrat bereitstellen61 Provide substrate
62 Materialquelle bereitstellen62 Provide material source
63 Substrat bedampfen63 Steam the substrate
64 Nanopartikel einstäuben64 dust nanoparticles
65 Material spin-coaten
65 material spin coats