Atomlagenabscheidung (ALD) zur Herstellung einer Ultrablack‑Beschichtung, ideal für die Beobachtung des Kosmos

Forscher der University of Shanghai for Science and Technology und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben einen wichtigen Meilenstein erreicht, nachdem sie erfolgreich ein neues Verfahren der Atomlagenabscheidung (ALD) eingesetzt haben, um eine ultraschwarze Beschichtung auf einer unebenen Oberfläche aufzubringen. Die verbesserte Beschichtung ist widerstandsfähiger und effektiver als ihre Vorgänger. Damit könnte die Entwicklung erhebliche Auswirkungen auf zahlreiche Branchen haben, darunter Optik, Weltraumforschung, erneuerbare Energien und vieles mehr. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Die Forscher haben ihre Ergebnisse veröffentlicht und im Detail erklärt, wie sie eine langlebige ultrschwarze Dünnschichtbeschichtung speziell für magnesiumlegierungen in Luft‑ und Raumfahrtqualität entwickelt haben. Diese Legierungen werden häufig in der Weltraumforschung eingesetzt, wo Gewicht und Haltbarkeit entscheidende Faktoren sind.

Quelle – Photonexpert – Atomlagenabscheidung (ALD) Erfinder Dr. Tuomo Suntola

Wer mit dem Verfahren zur Herstellung von High‑Tech‑Geräten und Optiken nicht vertraut ist, versteht möglicherweise nicht die entscheidende Bedeutung, ein nicht reflektierendes schwarzes Material zu finden. Insbesondere kann Streulicht diese Geräte stören und die Qualität erheblich verringern. Folglich gibt es eine stetige Reihe von Verbesserungen auf der Suche nach dem schwärzesten nicht reflektierenden Material.

Diese Beschichtungen werden dazu beitragen, die Luft‑ und Raumfahrttechnologien voranzubringen, bei denen neue Materialkombinationen stärkere Werkstoffe erzeugen können. Diese leichten Materialien finden sich in vielen Satelliten, Raumfahrzeugen und Anzügen. Sie werden auch häufig im Luftfahrtsektor eingesetzt, dank ihrer Widerstandsfähigkeit und bewährten Langlebigkeit.

Auf der Suche nach dem schwärzesten Schwarz

Mit dem Fortschritt der Präzisionsoptik steigt die Nachfrage nach stärker lichtabsorbierenden Materialien. Bis vor kurzem wurde ein dünner schwarzer Film verwendet, um ein lichtabsorbierendes, nicht reflektierendes Material in Kameraobjektiven und anderen gekrümmten oder ungewöhnlich geformten Geräten zu erzeugen. ALD‑Beschichtungen bieten eine bessere Lösung, die leichter aufzutragen ist und extremen Bedingungen standhält. Der Prozess erzeugt superschlanke und gleichmäßige Schichten, die keinerlei Bereiche unbedeckt lassen.

Probleme mit den aktuellen Beschichtungs‑Materialien und -Methoden

Es gibt viele Gründe, warum bestehende Ultrablack‑Beschichtungstechniken für die heutigen High‑End‑Optik‑ und Elektronikgeräte unzureichend sind. Die derzeit beliebtesten Beschichtungsverfahren basieren auf empfindlichen Materialien, darunter vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren oder schwarzes Silizium. Diese Materialien können rauen Umgebungen nicht standhalten, ohne schnell zu degradieren. Sie sind zudem teuer und schwer herzustellen.

Zudem ist es schwierig, diese Beschichtungen auf komplexe Strukturen aufzubringen. Da eine ungleichmäßige Anwendung zu geringerer Haltbarkeit und reduzierter Leistung führt, widmen immer mehr Forscher ihre Anstrengungen der Entwicklung absorbierender Alternativen. Da Linsen und andere optische Geräte immer komplexer werden, ist es entscheidend, bessere Methoden zur gleichmäßigen Aufbringung nicht reflektierender, lichtabsorbierender Materialien zu erforschen und zu entwickeln.

Einführung der Atomlagenabscheidung (ALD)

Die Atomlagenabscheidung (ALD) hilft, viele der Hauptprobleme, mit denen Hersteller und Forscher bei Beschichtungen konfrontiert sind, zu lösen. Der Prozess beruht auf vakuumversiegelten Räumen, in denen Gas eingepumpt wird und eine dünne Schicht auf der Oberfläche hinterlässt. Dieses Verfahren wird als Filmbildung bezeichnet und bietet Herstellern eine einfache Möglichkeit, komplexe Materialien schichtweise zu erzeugen.

Die ALD‑Methode erzielte beeindruckende Ergebnisse, wobei ein Test zeigte, dass 99,3 % des Lichts von diesem ultrschwarzen Material absorbiert wurden. Diese Verbesserungen resultieren aus einer gleichmäßigeren Filmbedeckung und dem Einsatz neuer lichtabsorbierender Materialien. Konkret stellen die Forscher ein neues Verfahren vor, das zwei Schichten nutzt, um die Haltbarkeit zu erhöhen.

Die Basisschicht verwendet einen Titan‑Aluminium‑Kohlenstoff‑Komposit (TiAlC). Diese Zusammensetzung besitzt ultraleichte absorbierende Eigenschaften und kann auch bei intensiver Nutzung in rauen Umgebungen, einschließlich des Weltraums, standhalten. Die zweite Schicht verwendet ein dielektrisches Material Siliziumnitrid (SiO2), das ideal ist, um Reflexionen zu verhindern. Zusammen können diese Schichten 99,3 % des Lichts über ein breites Wellenlängenspektrum absorbieren.

Geschichte der ALD

Die Idee, ALD zur Aufbringung dünner Beschichtungen zu nutzen, existiert seit über 60 Jahren. Interessanterweise beanspruchten zwei Erfinder die Entdeckung der Technologie. Diese unabhängigen Bemühungen gingen unterschiedlich vor, erzielten jedoch dasselbe Ergebnis: eine atomar dünne Beschichtungsschicht.

In den 1960er‑Jahren erreichten sowjetische Forscher diese Aufgabe mit einem Verfahren, das als molekulare Schichtung bezeichnet wurde. Die Entdeckung wurde im Westen nicht sofort anerkannt, da das politische Klima nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs angespannt war. Dennoch erkannten viele Forscher früh, dass diese Technologie für die Geräte der nächsten Generation entscheidend sein würde.

Ein Jahrzehnt später nutzte ein finnisches Forscherteam unter der Leitung von Dr. Tuomo Suntola erfolgreich ein neues Verfahren namens atomare Schichtepitaxie, um dünne, gleichmäßige Schichten lichtabsorbierender Materialien auf Geräte aufzubringen. Diese Methode war sofort ein Erfolg bei den Herstellern und führte dazu, dass Finnland über Jahrzehnte hinweg zu einem Zentrum der ALD‑Entwicklung wurde.

Von dort aus setzte sich die ALD‑Wissenschaft mit Durchbrüchen in Photovoltaik, Katalyse, Halbleiterfertigung und darüber hinaus fort. Heute leben Sie in einer von dieser Technologie umgebenen Welt. Vom Smartphone bis zu den Solarpanelen, die Ihr Haus mit Strom versorgen, haben ALD‑Prozesse das Leben von Milliarden Menschen verbessert.

Beeindruckend ist, dass die neuesten Verfahren so weit entwickelt sind, dass sie uniforme und konforme Filme auf komplexen, dreidimensionalen Objekten mit atomarer Präzision ablegen können. ALD bietet eine ultradünne Beschichtung, die bis zu einer Atomschicht dünn sein kann. Bemerkenswert ist, dass die Beschichtung so dünn ist, dass sie als 2‑D‑Material betrachtet werden kann.

Anwendungen der ALD

Heutzutage sind ALD‑Fertigungsprozesse ein entscheidender Bestandteil des Marktes. Diese dünnen Schichten bieten eine starke und effektive Möglichkeit, Gegenstände vor unerwünschten Energiequellen zu schützen. Hier sind einige der spannendsten Möglichkeiten, wie ALD in Zukunft Ihr Leben verbessern könnte.

Solarzellen

Forscher haben dank des Einsatzes von ALD‑Technologie bedeutende Fortschritte in der Photovoltaik erzielt, indem sie neue Materialien und Strukturen testeten. Heutige Solarpaneele sind ineffizient, wobei die beste Option nur durchschnittlich etwa 30 % Energieumwandlung erreicht. Ein Großteil dieser Energie geht als Wärme verloren und wird von der Zelloberfläche in die Atmosphäre reflektiert.

ALD‑Solarpaneele könnten mehr Licht einfangen und Leckagen verhindern. Darüber hinaus könnten sie so gefertigt werden, dass sie den härtesten Umgebungen standhalten, einschließlich solcher auf anderen Planeten, wo sie jahrelang Geräte für die Weltraumforschung betreiben müssten. Daher glauben viele, dass ALD‑Solarzellen die Energiequelle für den nächsten Mondrover und weitere Weltraummissionen sein werden.

Lithium‑Batterien

Lithium‑Ion‑Batterietechnologie (LIB) bietet Hochenergie‑Dichte und niedrige Selbstentladung. Diese Batterien basieren auf chemischen Reaktionen zwischen Elektrolyt und Anode. Leider verbrauchen die derzeitigen festen Elektrolyt‑Grenzflächen (SEI) dauerhaft einen Prozentsatz der Ionen, was sie ineffizient macht.

Der Einsatz von ALD zur Beschichtung von Elektronenschichten könnte helfen, Leistungsverluste zu verhindern und die Degradation im Laufe der Zeit zu reduzieren. ALD‑Prozesse können diese Aufgaben erfüllen, da sie dünn sind und gleichmäßig ohne Lücken auf atomarer Ebene aufgetragen werden können. Diese Beschichtung verhindert unerwünschte Kreuzkontaminationen auf atomarer Ebene.

Mikrochips

Mikrochip‑Technologie revolutioniert die Welt weiterhin, indem sie fortschrittlichere Elektronik kleiner und zuverlässiger macht. Der aktuelle Mikrochip liegt Lichtjahre voraus, weist jedoch in vielen Bereichen Mängel auf. Erstens ist er sehr energieintensiv, was bedeutet, dass all Ihre Smart‑Devices zusammen einen hohen Energieverbrauch verursachen.

In Anerkennung der Bedeutung von Energie‑Nachhaltigkeit hat das US-Energieministerium (DOE) dem Argonne National Laboratory des DOE 4 Millionen Dollar zur Finanzierung ihrer nächsten ALD‑Chip‑Forschung bereitgestellt. Ziel des Projekts ist es, neue Materialien zu finden, die den Energiebedarf von Mikrochips um das bis zu 50‑fachen zu senken. Bei Erfolg könnte der gesamte Markt profitieren.

Ein Teil des Ansatzes zielt darauf ab, das “von‑Neumann‑Flaschenhals” zu lösen, ein Begriff, der die enorme Energiemenge beschreibt, die Computer allein durch das Verschieben von Daten zwischen Logik‑ und Speicherchips verbrauchen. Argonne wird ALD einsetzen, um energiearme Alternativen zu schaffen, die übermäßigen Energieverbrauch bekämpfen, bevor es zu spät ist.

Weltraum

Die Weltraumforschung ist einer der Sektoren, in denen ALD im letzten Jahrzehnt eine bedeutende Rolle gespielt hat. Die Weltraumforschung erfordert Geräte, die extremen Umgebungen standhalten, wie sie auf der Erde nicht vorkommen. Ein Satellit muss möglicherweise Temperaturen von +500 °F auf einer Seite standhalten, während die andere Seite des Geräts bei unter Null Grad gefriert.

Diese extremen Temperaturen und Bedingungen können optische Geräte und Elektronik stark beeinträchtigen. ALD bietet die beste Lösung für diese Probleme. Darüber hinaus erweitern Forscher weiterhin die lichtabsorbierenden Fähigkeiten. Moderne Weltraumoptik nutzt Materialien, die auch ultraviolettes und infrarotes Licht absorbieren, um eine lichtsterile Umgebung zu schaffen.

Marktführer im Bereich ALD

Der ALD‑Markt wächst weiter, um die steigende Nachfrage von Elektronikherstellern und Forschern zu decken. Diese ALD‑Anbieter haben starke strategische Partnerschaften gesichert und bewiesen, dass sie zuverlässige Dienstleistungen erbringen. Hier sind nur einige der führenden ALD‑Anbieter, die heute Innovationen vorantreiben.

1. Argonne

ANL Preisdiagramm

Argonne ist ein bekanntes Forschungszentrum, das mit High‑Tech‑Herstellern, Regierungen und anderen Forschern zusammenarbeitet, um fortschrittliche Beschichtungsoptionen zu entwickeln. Das Unternehmen entstand in den 1940er‑Jahren als Ableger des Manhattan‑Projekts. Damals wurde atomare Energie als die Zukunft angesehen.

Seitdem hat sich Argonne zu einem multidisziplinären Wissenschafts‑ und Ingenieurforschungszentrum entwickelt, das jedoch nach wie vor hauptsächlich auf Energie‑Nachhaltigkeit fokussiert ist. Die Gruppe nutzt ihre Lage im Zentrum von Chicago, um Zugang zu verschiedenen Branchen zu erhalten und Kreativität in den Bereichen Energieforschung und Materialwissenschaften zu fördern.

2. Beneq

(Private)

Im Jahr 1984 wurde Beneq zur weltweit ersten industriellen Produktionslinie, die ALD‑Methoden in ihre Prozesse integrierte. Dieses in Privatbesitz befindliche finnische Unternehmen ist seit der Entstehung von ALD ein Pionier auf dem Markt. Heute liefert es hochwertige ALD‑Geräte an Unternehmen und ist auf Halbleiterfertigungsprozesse spezialisiert.

Beneq bleibt eine treibende Kraft im ALD‑Sektor und wurde als einer der etabliertesten Namen auf dieser Liste anerkannt. Das Unternehmen bietet weiterhin neue und innovative Beschichtungslösungen an. Daher gilt es von vielen als Marktführer.

3. CVD Equipment

CVV Preisdiagramm

CVD Equipment (CVV ) ist ein weiterer hochangesehener ALD‑Anbieter. Die Gruppe hat sich einen Ruf für die Bereitstellung präziser und zuverlässiger Geräte für chemische Gasphasenabscheidung und thermische Prozesse erarbeitet. Heute bedient CVD mehrere Branchen, darunter die Automobil- und Luftfahrtsektoren.

CVD bietet seit über 40 Jahren Dienstleistungen an. Diese Erfahrung hat es dem Unternehmen ermöglicht, sich als Vorreiter auf dem Markt zu positionieren. Sie hat zudem das Unternehmen befähigt, seine Prozesse zu verbessern und zu optimieren, um die Leistung zu maximieren.

4. Applied Materials

AMAT Preisdiagramm

Applied Materials (AMAT ) wurde nach der Übernahme von Picosun im Jahr 2020 zu einem bedeutenden Akteur im ALD‑Markt. Zu diesem Zeitpunkt war Picosun einer der aktivsten ALD‑Anbieter der Branche. Applied Materials nutzte seine Erfahrung und sein Netzwerk, um neue Methoden und Strategien für die Anwendung ultradünner Schichten zu innovieren.

Heute bietet Applied Materials ALD‑Dienstleistungen für Unternehmenskunden an. Diese Services umfassen schlüsselfertige Produktionslinien und Forschungsangebote. Darüber hinaus können Unternehmen die Beratung von Applied Materials nutzen, um die Erstellung und Integration von ALD‑Dienstleistungen zu optimieren.

Künstliche Intelligenz verbessert ALD

Einer der Gründe, warum sich ALD in den letzten Jahren verbessert hat, ist die Integration von KI‑Algorithmen. Insbesondere ermöglichen maschinelle Lernalgorithmen Entwicklern, neue Verbindungen virtuell zu erstellen und zu testen. Diese Fähigkeit senkt die F&E‑Kosten erheblich und erlaubt es Entwicklern, zu sehen, wie bestimmte Materialien interagieren, ohne spezielle Maschinen zu benötigen.

Maschinelle Lernalgorithmen können Millionen von Versuchen durchführen, um potenzielle Schwachstellen oder Schwellenwerte zu finden. Dieser KI‑Stil ist sehr effektiv und muss nur einmal trainiert werden, um Aufgaben optimal zu erledigen. Darüber hinaus könnten neuronale Netze KI dazu veranlassen, neue Materialien zu empfehlen und eigenständig Tests und Entwicklungen durchzuführen.

KI‑Simulation ist aus vielen Gründen ein Wendepunkt. Zum einen ermöglichen diese Tests, Kreationen bis an ihre absoluten Grenzen zu prüfen, ohne reale Gegenstände zu beschädigen. Entwickler können alles virtuell erstellen, testen und anpassen, bevor sie jemals in die Fertigung investieren. Auf diese Weise könnte KI der Schlüssel sein, um künftig neue Ebenen von Widerstandsfähigkeit und Anwendungsmethoden zu erschließen.

Ausbau des ALD‑Marktes

Der ALD‑Markt wächst, wobei Berichte zeigen, dass im Jahr 2023 ein Umsatz von über 4,46 Mrd. $ durch den Verkauf von ALD‑Geräten erzielt wurde. Dieselben Daten verdeutlichen ein erhebliches Wachstumspotenzial für die Zukunft, mit einer prognostizierten jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8,90 % im US‑Markt allein für das nächste Jahrzehnt.

Der Bericht zeigt zudem, dass die steigende Nachfrage auf die fortgesetzte Miniaturisierung elektronischer Geräte und verbesserte Fertigungsprozesse zurückzuführen ist. Neuere Verfahren verbessern die Qualität und senken die Anwendungskosten. Der gleiche Bericht weist auch darauf hin, dass die zunehmende Nachfrage nach Solarpaneelen ein weiterer Treiber für die Expansion von ALD ist.

Es kann immer noch schwärzer werden

Die Wissenschaft, das schwärzeste Material zu schaffen, wird sich weiterentwickeln und Innovationen in allen Wissenschaftsbereichen vorantreiben. Von High‑End‑Optikgeräten über die Weltraumforschung bis hin zur Nutzung von Sonnenstrahlen stehen ALD‑Technologien an der Spitze der Innovation. Aus diesen Gründen ist es klug, diese Unternehmen in den kommenden Monaten im Auge zu behalten.

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