Untersuchungen zur elektrochemischen Abscheidung von amorphen Kohlenstoffschichten

Altay, Katarzyna

Amorphous carbon films consist of randomly arranged sp³- and sp²-hybridized carbon atoms, with almost any realizable hybridization ratio and potentially includable hydrogen and (non-) metals into the layer.Since the class of amorphous carbon layers has diverse properties, they can be used for a variety of application ranges with economic significance.At the current state of the art amorphous carbon layers are mainly applied by various methods of vapor deposition, however, there is an increasing interest in an alternative coating method under atmospheric conditions. A promising approach in this case provides the deposition of amorphous carbon films by electrochemical processes from liquid phases. This leads to the thematic focus of the present paper.The analyzed publications show a comprehensive overview of the research in the last 20 years and deliver, together with the test results, a basis to assess the current state of research. This allows a realistic assessment of the technological potential of this coating method. The experimental aspects of this work comprise investigations and evaluations of new combinations of carbon source and substrate material, also in the range of the boiling temperature, and of larger than previously observed substrate dimensions. With the experimental setup that was realized specific for this work, essential aspects of the process conduct, in particular the process control, are understood and numerous parameters are investigated.Against the background of the economics of the coating process with respect to a higher service life, the same volume of a carbon source is used for a long time period, too. A further saving is tested by the use of a lower-cost carbon source with low chemical purity. The test results comprise the elaboration of process specifications, parameter correlations and the effects of the carbon source composition on the electrochemical deposition technology and their reproducibility. In addition, a contribution to existing theories of film formation and the interpretation of current profiles is made.

Amorphe Kohlenstoffschichten bestehen aus regellos angeordneten sp³- und sp²-hybridisierten Kohlenstoffatomen, mit nahezu beliebig realisierbaren Hybridisierungsverhältnissen und potentiell in die Schicht einzubringendem Wasserstoff und (Nicht-) Metallen.Da die Klasse der amorphen Kohlenstoffschichten über vielfältige Eigenschaften verfügt, wird eine Vielzahl von Anwendungsbereichen mit wirtschaftlicher Bedeutsamkeit bedient.Zum aktuellen Stand der Technik werden amorphe Kohlenstoffschichten hauptsächlich mittels verschiedener Verfahren der Gasphasenabscheidung appliziert, jedoch besteht zunehmend Interesse an einer alternativen Beschichtungsmethode unter atmosphärischen Bedingungen. Einen vielversprechenden Ansatz bietet hierbei die Abscheidung von amorphen Kohlenstoffschichten durch elektrochemische Prozesse aus flüssigen Phasen. Daraus folgt der thematische Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Die ausgewerteten Veröffentlichungen zeigen einen umfassenden Überblick der Forschungsarbeit in den letzten 20 Jahren und liefern zusammen mit den Untersuchungsergebnissen eine Grundlage zur Beurteilung des aktuellen Forschungsstands. Dies ermöglicht eine realistische Einschätzung des technologischen Potentials dieser Beschichtungsmethode. Die experimentellen Aspekte dieser Arbeit umfassen die Untersuchungen und Auswertungen von neuen Kohlenstoffquelle-Substratmaterial-Kombinationen, auch im Siedetemperaturbereich, und größeren als der bis dahin betrachteten Substratdimensionen. Mit dem speziell für diese Arbeit realisierten experimentellen Aufbau werden wesentliche Aspekte der Prozessführung, insbesondere der Prozesskontrolle nachvollzogen und zahlreiche Parameter untersucht.Ebenso wird vor dem Hintergrund der Wirtschaftlichkeit des Beschichtungsverfahrens hinsichtlich höherer Standzeiten, dasselbe Volumen einer Kohlenstoffquelle über einen längeren Zeitraum eingesetzt. Ein weiteres Einsparpotential wird durch die Verwendung von kostengünstigeren Kohlenstoffquellen mit geringer Chemikalienreinheit überprüft. Die Untersuchungsergebnisse umfassen die Ausarbeitung von Prozessspezifika, Parameterzusammenhängen und der Auswirkungen der Zusammensetzung der Kohlenstoffquelle auf die elektrochemische Abscheidungstechnologie und deren Reproduzierbarkeit. Zusätzlich wird ein Beitrag zu bestehenden Thesen der Schichtbildung sowie der Interpretation von Stromverläufen geleistet.

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Altay, Katarzyna: Untersuchungen zur elektrochemischen Abscheidung von amorphen Kohlenstoffschichten. 2015.

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