Die weltgrößte kristalline Diamantfolie

FAU-Forscher züchten in einem Versuchsreaktor eine vielseitig einsetzbare Diamantfolie

Werkstoffforscher der FAU sind ihrem Ziel ein Stück näher gekommen, großflächige kristalline Diamantfolien für den praktischen, anwendungsorientierten Einsatz zur Verfügung zu stellen. In einem Versuchsreaktor ist es ihnen gelungen, die mit einem Durchmesser von 28 Zentimetern weltgrößte kristalline Diamantfolie herzustellen. Diese Diamantfolien können sowohl als ultimativer Verschleißschutz in der Industrie als auch in der Forschung zur thermoelektrischen Stromerzeugung eingesetzt werden – ein Zukunftsmarkt.*

Diamanten gelten nicht nur als wertvoll, sondern auch als unbezwingbar. Sie sind das härteste natürliche Material in unserem Universum. Kein Wunder also, dass die Werkstofftechnik sich an die Züchtung von kristallinen Diamantschichten gemacht hat, die sich unter anderem durch eine extrem hohe Härte und Verschleißbeständigkeit, eine außerordentliche chemische Beständigkeit und die höchste Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Leider ist eine direkte Beschichtung von Substraten mit kristallinem Diamant aber nur auf einer eingeschränkten Auswahl von Materialien möglich. In der Arbeitsgruppe „Ultraharte Schichten“ am Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle der FAU wurde daher ein Verfahren entwickelt, das Diamantschichten auf Siliziumträgern züchtet, um auch nicht für eine direkte Beschichtung geeignete Werkstoffe mit einer Diamantschicht belegen zu können. Mit 28 Zentimetern Durchmesser ist dort nun die Herstellung der weltweit größten kristallinen Diamantfolie gelungen. „Mit dieser Hochskalierung des Diamantherstellungsverfahrens wollen wir zeigen, dass in Zukunft auch in großen Abmessungen kristalliner Diamant als Halbzeug für die Industrie zur Verfügung steht“, erklärt Dr. Stefan Rosiwal, Leiter der Arbeitsgruppe „Ultraharte Schichten“ am Lehrstuhl WTM, das Forschungsziel. „In diesen Diamantschichten können wir die Diamantkorngröße, die elektrische und die thermische Leitfähigkeit durch Änderungen der Herstellungsparameter um viele Größenordnungen variieren.“

Das Verfahren

Die Herstellung der kristallinen Diamantfolien erfolgt in einem Versuchsreaktor, in dem in einem mehrtägigen Prozess auf einer 30 Zentimeter Durchmesser großen kreisrunden Trägerplatte aus Silizium  eine 40 Mikrometern dicke Diamantschicht gezüchtet wird – das entspricht etwa der Dicke eines menschlichen Haares. Sie entsteht in einer Niedrigdruckatmosphäre aus Wasserstoff und 2 Prozent Methan unter Drähten, die auf 2.000 Grad Celsius erhitzt werden. Nach dem Beschichtungsprozess wird mithilfe eines Kurzpuls-Lasers eine kreisförmige Sollbruchstelle mit 28,5 Zentimetern Durchmesser in die Diamantoberfläche eingebracht. So ist es möglich die abgeschiedene Schicht als freistehende, sehr glatte Diamantfolie vom Siliziumsubstrat zu trennen.

Zukunftsträchtige Anwendungspotentiale

Mit dem Verfahren wurde die Tür für ein großes Feld weiterer Anwendungen aufgestoßen. Nahezu jedes Substratmaterial kann mithilfe einer geeigneten Fügetechnik mit Diamantfolie belegt werden. Die extrem harten und glatten Diamantfolien können beispielsweise Bauteiloberflächen vor Verschleiß schützen. Für Wasserturbinen, die durch Sand im Wasser stark erosiv belastet sind, konnte bereits 100-prozentiger Verschleißschutz nachgewiesen werden. Die erfolgreiche Hochskalierung des Diamantbeschichtungsprozesses ist auch für kostengünstigere direkte Diamantbeschichtung von industriell genutzten Bauteilen wichtig. Dies sind zum einen Verschleißschutzschichten für Gleitringe bei Pumpen sowie zum anderen die Herstellung stabiler Diamantelektroden, um damit hocheffiziente Wasserreinigungs- und Desinfektionssysteme zu betreiben. Eingesetzt werden solche neuartigen Elektrodensysteme z.B. beim Waschen und Desinfizieren von Orangen nach der Ernte in Südeuropa, wo sie Fäulniskeime von der Oberfläche entfernen und zusätzlich noch bis zu 80 Prozent Waschwasser sparen. Zukünftige Einsatzgebiete sind Containerschiffe oder Kläranlagen. Als Vision könnte sogar die tägliche Wäsche in privaten Haushalten mit wesentlich geringeren Temperaturen „sauber und rein“ werden.

*Die Forschungsergebnisse wurden unter den Titeln “Mechanical properties of micro- and nanocrystalline diamond foils“ und “Thermoelectric transport properties of boron-doped nanocrystalline diamond foils“,  in den renommierten Fachzeitschriften Philosophical Transactions A doi: 10.1098/rsta.2014.0136 und Carbon doi: 10.1016/j.carbon.2014.10.002 veröffentlicht.

Weitere Informationen

PD Dr.-Ing. habil. Stefan M. Rosiwal
Tel: 09131/85-27517
stefan.rosiwal@fau.de