Identifizierung von Zusammensetzungs-Prozess-Defekt-Struktur-Eigenschafts-Korrelationen in (La)-Co-X-Y-O-Dünnschicht-Materialbibliotheken (X, Y: Fe, V, Mn, Al, Mo, Ni)

Forschungsdatenmanagement und KI-gesteuerte Wissensentdeckung

Dieses Projekt befasst sich mit der Erforschung von thermochromen Schichten auf VO2-Basis in V-M1-M2-O-Systemen (M1, M2: z.B. W, Mg, Er, Li) für den zukünftigen Einsatz in Smart Windows. Die zu entwickelnden Schichten zeigen eine hohe Lichtdurchlässigkeit (Tlum) und Modulation der Sonneneinstrahlung (ΔTsol) bei einer reversiblen Phasenumwandlung nahe Raumtemperatur. Die Zugabe von dritten Elementen kann die Übergangstemperatur (Tc) senken und die thermochrome Leistung (Tlum und ΔTsol) von auf VO2 basierenden Phasen verbessern: z.B. kann W Tc von VO2 (68°C) effektiv senken, aber Tlum und ΔTsol werden dabei verschlechtert; Alkali- und Seltenerdmetalle verbessern Tlum, senken Tc aber nicht wesentlich. Daher muss ein multidimensionaler Suchraum erforscht werden, um ein neues multinäres Material zu finden, das alle notwendigen Anforderungen erfüllt. Um eine bessere Leistung von VO2-basierten dünnen Schichten für Smart Windows zu erreichen, werden zunächst V-M1-O-Systeme mit unerforschten Elementen für M1 untersucht, auf der Suche nach Elementen, die Tc reduzieren und Tlum verbessern. Anschließend werden quaternäre Systeme (V-M1-M2-O) untersucht: Synergistische Effekte von M1 und M2 auf die thermochromen Eigenschaften von VO2 werden erwartet, um geringeres Tc und höheres Tlum zu erreichen. Dies erfordert einen großen experimentellen Datensatz, der durch die Synthese von kombinatorischen Materialbibliotheken und deren Hochdurchsatzcharakterisierung erreicht wird. Die besten identifizierten Systeme werden zusätzlich als nanoporöse Schichten durch Glanzwinkelabscheidung hergestellt, um Tlum weiter zu verbessern, und zur weiteren Optimierung von Tlum wird eine schützende Antireflexschicht aufgebracht.

Dieser Antrag stellt die Erweiterung des Projekts "VO2-Based Thin Film Shape Memory Nanoactuators" dar. Während des vorangegangenen Projekts wurden (V-M)O2 (M=3. Metalle) Dünnschicht-Materialbibliotheken durch kombinatorisches Co-Sputtern synthetisiert und ihre Phasenumwandlungseigenschaften sowie mechanische Eigenschaften durch Hochdurchsatzmethoden charakterisiert. Darüber hinaus wurden neue nanotechnologische Verfahren zur Herstellung von Nanoaktoren auf VO2-Basis mit Abmessungen bis herab zu 100 nm entwickelt. Es wurde ein Größeneffekt bei der Änderung des elektrischen Widerstands bei der Phasenumwandlung des Nanoaktors festgestellt. Unsere Forschung zeigt das große Potenzial von VO2-basierten Bauelementen für elektro-thermomechanisches sowie thermochromes Schalten und Tuning auf der Nanoskala, die den dringenden Bedarf an kompakten multifunktionalen Lösungen auf dem sich schnell entwickelnden Gebiet der Nanophotonik decken könnten. Die Projekterweiterung befasst sich mit dieser Herausforderung und geht weit über den derzeitigen Stand der Technik hinaus, indem sie zwei miteinander verknüpfte Teile kombiniert: Teilprojekt I (RUB) wird bis zu quaternäre (V-M1-M2)O2-Systeme erforschen, um die mechanische Leistung der Schichten (z.B. Dehnungs- und Spannungsänderung) zu verbessern und die Phasenumwandlungseigenschaften maßzuschneidern. Das Formgedächtnisoxid ZrO2 wird zusammen mit VO2 zu dem neuen System (V-Zr)O2 kombiniert, um eine Erweiterung von Spannungsänderung und Arbeitstemperaturbereich von bis zu 200 °C zu erreichen. Basierend auf den neuen Materialsystemen werden im Teilprojekt II (KIT) neuartige Nanoaktor-Designs mit verbesserter Funktionalität und entsprechende Herstellungsverfahren für eine Anpassung der Krümmung aus der Ebene und bistabilen Betrieb entwickelt. Die Anwendung von VO2-basierten Schichten im Bereich der photonischen Wellenleiterschaltung wird auf der Grundlage des elektro-thermo-mechanischen und des thermochromen Effekts sowie alternativer elektrooptischer und rein optischer Konzepte erschlossen.

Das Projekt zielt darauf ab, die Entdeckung von Katalysatoren für die CO2-Elektroreduktion (CO2RR) zu beschleunigen, indem eine neue Methodik für Hochdurchsatztests von neuen Elektrokatalysatormaterialien bei industriell relevanten Stromdichten entwickelt wird. Wir planen, die kombinatorische Co-Sputter-Synthese von Dünnschicht-Materialbibliotheken (MLs) mit dem Testen von Katalysatormaterialien auf der Ebene der Gasdiffusionselektrode (GDE) zu verbinden, indem wir die elektrochemische Rastermikroskopie (SECCM) als Hochdurchsatz-Screening-Technik einsetzen, um die Aktivität von CO2RR-Elektrokatalysatoren bei hohen Stromdichten zu bewerten. Im ersten Teil des Projekts wollen wir verstehen, wie SECCM-Messungen an Dünnschicht-Elektrokatalysatoren durchgeführt werden müssen, um ähnliche Aktivitäten wie in einer GDE zu erzielen. Au und Cu werden als Modellkatalysatoren verwendet, und es werden Sputtertechniken eingesetzt, um Dünnfilm-Katalysatorschichten auf flachen Substraten oder 3D-porösen PTFE-Membranen zu erzeugen. Ziel ist es, die Haftung der Metallschicht auf dem PTFE-Substrat während des Sputterprozesses zu verbessern. Im zweiten Teil des Projekts planen wir die Synthese und Charakterisierung von MLs, die durch Co-Sputtern von Elementen mit starker (Co, Ni) und schwacher (Ag, Au) CO- und H-Bindung erhalten werden, mit dem Ziel, neue CO2RR zu entdecken, welche die selektive Synthese von Multikohlenstoffprodukten (C≥2) bei industriell relevanten Stromdichten ermöglichen. Mit Hilfe von SECCM wird die elektrokatalytische Aktivität der verschiedenen Materialien in einer ML bewertet, um neue Katalysatoren zu identifizieren, die CO2 mit einer Mindeststromdichte von 100 mA*cm-2 reduzieren können und als HITs bezeichnet werden. Die identifizierten HIT-Zusammensetzungen werden auf GDEs durch Sputtern auf Membranen übertragen. Die CO2RR-Selektivität der in eine GDE eingebetteten Katalysatoren wird in einem Durchflusszellenelektrolyseur in Verbindung mit Online-Gaschromatographie und Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie bewertet. Die Verbesserung der Stabilität des Katalysatorfilms in einer GDE und die Abstimmung der Mikroumgebung des Katalysators auf der GDE zur Beeinflussung der Selektivität werden durch Co-Sputtern von binären und ternären Katalysatoren mit PTFE realisiert. Die Korrelation der Katalysatorselektivität mit den Katalysator- und Elektrodenstrukturen wird abgeleitet und geht damit über den Stand der Technik hinaus, bei dem die Katalysatorselektivität oft ohne Berücksichtigung des Gesamtsystems beschrieben wird.

Dieses Projekt baut auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts "Exploring Multinary Nanoparticles by Combinatorial Sputtering into Ionic Liquids and Advanced Transmission Electron Microscopy" auf. Ziel ist es, das Wissen über multinäre Nanopartikel, die durch (Co-)Sputtern in ionische Flüssigkeiten synthetisiert wurden, im Vergleich zu dünnen Schichten, die auf festen Substraten mit der gleichen Sputterkammer und den gleichen Parametern gewachsen sind, zu erweitern. Besonderes Augenmerk wird auf intermetallische (Fe-Co-Ni)(Pt,Pd) Systeme in ihrer geordneten Gleichgewichts-Kristallstruktur im Vergleich zu ihrer nicht geordneten Struktur in fester Lösung mit der gleichen chemischen Zusammensetzung gelegt, da dies einzigartige Möglichkeiten bietet, den Einfluss von Ordnung/Unordnung auf die elektrochemische Leistung und Stabilität zu verstehen. Durch die Anwendung vielseitiger Sputtertechniken wie dem Hochleistungsimpuls-Magnetronsputtern könnten sich neue Möglichkeiten ergeben, um die Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung der Nanopartikeln zu beeinflussen. Das im Vorgängerprojekt verwendete Gleichstromsputtern war auf mischbare Elemente beschränkt. Wir wollen auch untersuchen, ob wir die gleiche Kristallstruktur und Zusammensetzung der Nanopartikel und dünnen Filme erhalten können, was mit dem Gleichstromsputtern nicht möglich war. Die Nanopartikel nehmen typischerweise die Gleichgewichtskristallstruktur und -zusammensetzung gemäß dem Phasendiagramm an. Der Vorteil einer vergleichbaren Struktur und Zusammensetzung von Nanopartikeln und dünnen Schichten ist immens, da das Screening über Materialbibliotheken bei dünnen Filmen einfacher ist. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Synthese von multinären intermetallischen (Fe-Co-Ni)(Pt,Pd) Nanopartikeln und dünnen Filmen mit hoher katalytischer Aktivität für die Sauerstoffreduktionsreaktion oder Wasserstoffentwicklungsreaktion sowie deren Stabilität bei elektrochemischer Belastung. Neben der Zusammensetzung sind vermutlich auch die Kristallstruktur (Mischkristall versus geordnete Phasen) und die Kristallinität selbst (amorph versus Nahordnung versus kristallin) durch die Verwendung des Hochleistungsimpuls-Magnetronsputterns sowie Tempern einstellbar. Die aktivsten Nanopartikel werden mit Hilfe aberrationskorrigierter, hochauflösender Rastertransmissionselektronenmikroskopie, einschließlich verschiedener hochauflösender Bildgebungsverfahren, Tomographie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie eingehend untersucht. Darüber hinaus werden die interessantesten Nanopartikel aus der ionischen Flüssigkeit extrahiert und an identischer Stelle mit der Rastertransmissionselektronenmikroskopie vor und nach mehreren Tausend zyklischen Voltammetrie-Messungen untersucht, um ihre (In-)Stabilität zu untersuchen und auf atomarer Ebene die Gründe für beispielsweise die Auflösung zu ermitteln.

Die Nachfrage nach grüner Energie ist mit dem steigenden Energieverbrauch und dem drohenden Klimawandel ständig gestiegen. Dies wird durch die ungebremste Nutzung fossiler Brennstoffe verschärft bei der 60 % der Primärenergie als ungenutzte Wärme verschwendet wird. Thermoelektrische (TE) Materialien sind ein vielversprechender Ansatz für grüne Energie, da sie Wärme direkt in Strom umwandeln. Die begrenzte Performance, aber auch mangelnde mechanische Robustheit und die Verwendung von teuren und giftigen Elementen in den bisherigen TE-Materialien schränken ihre Anwendung jedoch stark ein. Halb-Heusler-Materialien (HH) haben sich als vielversprechend für TE-Anwendungen erwiesen und bieten enorme Zusammensetzungsvielfalt mit billigen, vorhandenen und umweltfreundlichen Elementen. Dieser Antrag zielt darauf ab, das gesamte Potenzial des HH-Zusammensetzungsraums einschließlich der iso- und alioelektronischen Substitution für hocheffiziente TE-Materialien durch eine Kombination von Werkzeugen der künstlichen Intelligenz wie maschinelles Lernen (ML) und Hochdurchsatzsynthese und -charakterisierung zu evaluieren. Die Entschlüsselung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aus "Black-Box"-Modellen, die Validierung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) von ML-gescreenten Substitutionsverbindungen, aber auch experimentelle Techniken für die Herstellung und Hochdurchsatz-Charakterisierung von Materialbibliotheken unter Einbeziehung der Mikrostruktur, um ML- und DFT-Ergebnisse zu validieren, sind hier jedoch eine große Herausforderung. Ein mehrstufiger Ansatz, der ML, DFT und Experimente einschließt, soll diese Herausforderungen angehen. Er umfasst die Entwicklung physikalisch interpretierbarer ML-Modelle unter Verwendung von symbolischen Regressions- und symbolischen Destillationstechniken zur Vorhersage der TE-Eigenschaften des gesamten chemischen Raums von HH. Die durch das ML-Hochdurchsatz-Screening vorhergesagten TE-Eigenschaften werden durch fortgeschrittene DFT-Berechnungen zur Phasenstabilität und thermoelektrischen Eigenschaften validiert. Um den Kompositionsraum unabhängig von der Ladungsträgerkonzentration des TE-Materials vollständig auszunutzen, wird ein neuartiges Konzept eingeführt, das den Materialqualitätsfaktor anstelle der Gütezahl zT als Zielparameter für das ML-Screening verwendet. Das experimentelle Screening vielversprechender Zusammensetzungen durch Dünnschicht- und Bulk-Materialbibliotheken sowie die Synthese ausgewählter Zusammensetzungen als homogene Bulk-Proben zusammen mit einer mikrostrukturellen Analyse werden in das ML-Training einfließen und sollen Diskrepanzen zwischen ML-, DFT- und experimentellen Ergebnissen beseitigen. Dieser Ansatz wird nicht nur die erschöpfende kombinatorische Entwicklung effizienter HH-Verbindungen erleichtern, sondern auch ein zukünftiges inverses Design von TE-Materialien aufgrund von Merkmalen ermöglichen, die aus physikalisch interpretierbaren ML-Deskriptoren identifiziert werden.

Unsere früheren Arbeiten haben gezeigt, dass neben LiAlO2 auch Li-Manganate (z. B. LiMnO2 oder Li2MnO3) vielversprechende EnAM-Phasen sind, die in synthetischen Schlacken mit hoher Reinheit auskristallisieren. Es wird erwartet, dass die Bildung von Li-Manganaten durch die Steuerung des Mn-Oxidationszustands reguliert werden kann, d. h. durch die Verhinderung der Bildung von Mn-haltigen Spinellen, indem die Mn4+- statt der Mn2+/3+-Speziationen durch die Prozessbedingungen stabilisiert werden. Darüber hinaus sind Li-Manganate für die direkte Wiederverwendung als Kathodenmaterial in Li-Ionen-Batterien interessant. Die Fortsetzung unseres gemeinsamen Projekts wird sich daher auf die Erforschung der Möglichkeiten von Li-Manganaten als neue EnAM-Phasen konzentrieren und darauf, wie ihre Bildung mit der Bildung von LiAlO2 korreliert. Kombinatorische Dünnschicht-Materialbibliotheken der ternären und quaternären Teilsysteme Li-M1-M2-O, mit M1, 2 = Mn, Al, Mg, Fe, werden durch Kathodenzerstäubung (sputter deposition) hergestellt und mit Hochdurchsatzmethoden untersucht, um die Phasenbildung der Systeme zu studieren, insbesondere um alle möglichen Li-Manganate in Abhängigkeit der Mn-Speziation zu erfassen. Die Bildung der Verbindungen, die als potenziell geeignete EnAM-Phasen (vermutlich Li-Manganate) identifiziert wurden, wird dann in synthetischen Schlacken mit zusätzlichen Elementen wie Si und Ca untersucht. Synthetische Schlackenproben werden bei verschiedenen O2-Partialdrücken hergestellt und mittels Röntgenbeugung, Elektronensondenmikroanalyse, Massenspektrometrie im Nanomaßstab und Thermoanalyse untersucht. In Verbindung mit einer thermodynamischen Modellierung werden diese experimentellen Ergebnisse einen Einblick in das Erstarrungsverhalten von Li-Manganaten in Ca-Silikat-Schlacke und in Anwesenheit geringer Anteile an Nebenkomponenten (Kontaminationen) wie Mg und Al geben und dazu beitragen, die Abkühlkurven für eine maximale Bildungsrate und eine günstige Kornmorphologie und -größe zu optimieren. Zusätzlich zu den Ca-Silikat-Schlacken werden fayalitische Schlacken (Fe2SiO4-dominiert) untersucht, da sie wegen ihres Potenzials, den Sauerstofftransport in die Schmelze deutlich zu erhöhen, den verfügbaren Sauerstoff in der Schmelze maximieren, was zur besseren Oxidation des Mn in der Schmelze führen sollte (z.B. bei der Stabilisierung von Mn4+). Um die Eignung der in den synthetischen Schlacken- und Dünnschichtproben gebildeten Li-Manganate für die direkte Wiederverwendung als Kathodenmaterial in Li-Ionen-Batterien zu bewerten, wird die Nanostruktur ausgewählter Proben zusätzlich mit Hilfe der aberrationskorrigierten Transmissionselektronenmikroskopie und der Atomsondentomographie untersucht. Alle Ergebnisse zusammen werden einen besseren Einblick in die Stabilität von Li-Manganaten, ihre Eigenschaften und ihre Rückgewinnbarkeit aus lithiumhaltigen Schlacken ermöglichen.

Dies ist der Folgeantrag des gemeinsamen Projekts "Kooperative Formgedächtnisaktorsysteme für Nanomechanik und Nanophotonik". Während der ersten Förderperiode haben wir gezeigt, dass bidirektionale Aktorik oberhalb Raumtemperatur durch Joule-Erwärmung für TiNiHf-Schichten (Formgedächtnislegierungen, FGL) mit einer Dicke von bis zu 220 nm möglich ist. Trimorphe PMMA/TiNiHf/Si-Strukturen, die für bistabile Aktorik vorgesehen sind, konnten jedoch bisher nur durch gekoppelte Simulationen untersucht werden, wobei sich herausstellte, dass dicke PMMA-Polymerschichten erforderlich sind, was Probleme bei der Herstellung und der thermischen Aktorik mit sich bringt. Das aktuelle Projekt zielt daher auf (1) die Einführung und Untersuchung neuartiger Konzepte ohne Polymerschicht für bistabile FGL-Aktoren in und aus der Ebene, (2) die Untersuchung und numerische Beschreibung von Skalierungs- und Größeneffekten und (3) die Entwicklung kooperativer multistabiler Mikroaktoren in der Ebene und außerhalb der Ebene für Si-Mikromechanik- bzw. Si-Nanophotonik-Anwendungen ab. Bistabile FGL-Mikroaktoren werden auf der Grundlage gekoppelter vorgespannter FGL-Brücken-Mikroaktoren entwickelt. Ihre Funktionalität hängt von der mechanischen Spannung aus der thermischen Behandlung und der intrinsischen Spannung aus dem Dünnschichtwachstumsprozess ab. Ein rechnergestützter iterativer Entwurfsprozess soll dazu beitragen, robuste und energieeffiziente Aktorsystem-Designs mit hoher Präzision und Miniaturisierungspotenzial zu identifizieren (S. Wulfinghoff). Präzise kontrollierte Materialeigenschaften, einschließlich der Kontrolle von Schichtspannungen (A. Ludwig) werden mit modernsten Mikrosystemtechniken zur Ko-Integration von FGL/Si-Mikroaktoren mit mikromechanischen und/oder nanophotonischen Si-Wellenleiterstrukturen kombiniert (M. Kohl). Auf der Grundlage einer kombinierten experimentellen und simulationsbasierten Bewertung der multistabilen Mikroaktorsysteme werden unerwünschte Querempfindlichkeiten minimiert und Synergien verbessert.

Teilautonome kombinatorische Sputteranlage zur Herstellung multinärer Schicht-Materialbibliotheken

xemX:
Exploration hochdimensionaler Zusammensetzungsräume zur beschleunigten Entwicklung elektrochemischer Katalysatoren

Research Center "Future Energy Materials and Systems"

DIMENSION: Determining materials for energy conversion - Establishing a fast track towards processing and evaluation