Depositie van High Entropy Alloys als contactweerstand

Groep: DRAFT
Contactpersoon/begeleider: Robin Dedoncker
Promotor:  Prof. Diederik Depla

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Trefwoorden: contactweerstand, legeringen, sputterdepositie

Probleemstelling

Schakelaars behoren tot de meest cruciale onderdelen in hedendaagse elektrische circuits. Deze elementen moeten enerzijds beschikken over een hoge elektrische geleidbaarheid en anderzijds erosiebestendig zijn. De meest gebruikte geleider is koper maar aangezien dit materiaal zacht is, degradeert het oppervlak snel tijdens het schakelen. Dit probleem kan opgelost worden door op het koper een dunne, goed geleidende én erosiebestendige deklaag aan te brengen, een zogenaamde coating die dienst doet als contactweerstand. Een veelbelovend concept zijn High Entropy Alloys (HEAs), waarvan het onderzoek op dunne lagen nog grotendeels onbekend terrein is.

Doelstelling

Grafische voorstelling van een CoCrCuFeNi-rooster
Grafische voorstelling van een CoCrCuFeNi-rooster
High Entropy Alloys zijn legeringen bestaande uit ten minste vijf verschillende metalen in equimolaire hoeveelheden. Een voorbeeld is CoCrCuFeNi, maar door de grote vrijheid aan verschillende metalen is er een enorme mogelijkheid aan combinaties. Deze legeringen hebben veelbelovende eigenschappen zoals hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, corrosiebestendigheid, etc. Deze eigenschappen worden bepaald door de compositie en microstructuur van de dunne laag. Hierdoor spelen de depositieomstandigheden een cruciale rol en is er onderzoek nodig om deze relaties te bestuderen. De lagen worden afgezet door middel van magnetron sputtering. Dit is een magnetisch geassisteerde techniek waar ionen de kathode (ook wel target genoemd) bombarderen. De kathode bevat het gewenste materiaal en door de impact van de ionen komen de atomen uit deze kathode vrij en belanden ze in de gasfase. De losgekomen atomen botsen uiteindelijk op een substraat, waardoor er zich na bepaalde tijd een dunne film vormt. Om dunne films van HEAs te maken wordt gebruik gemaakt van poedertargets. De compositie van de target is perfect te controleren en het afwegen, mengen en persen van een nieuwe target neemt amper tijd in beslag. Deze flexibele techniek laat toe om in een onderzoekomgeving snel vele combinaties te onderzoeken en is bovendien schaalbaar naar industriële toepassingen. De contactweerstand is de weerstand die een elektrische stroom moet overkomen wanneer het door een gesloten contact vloeit. Ideale, perfecte vlakke contacten hebben geen contactweerstand. De onderstaande figuur toont de twee belangrijkste effecten die bijdragen aan de contactweestand. De oppervlakteruwheid en de hardheid van de film zorgen voor een klein, effectief contactoppervlak waardoor een constrictieweerstand optreedt. Daarnaast is het oppervlak van de film meestal bedekt door een geadsorbeerde oxide- of sulfidelaag die minder geleidend is en een filmweerstand veroorzaakt. De contactweerstand is de som van de filmweerstand en de constrictieweerstand.

Figuur 2: (a) Het ideale (onrealistische) geval: een gesloten contact met perfecte oppervlakken, zonder contactweerstand. (b) Een beperkt aantal effectieve contactpunten zorgen voor een vernauwing van de stroomlijnen: de constrictieweerstand. (c) Een geadsorbeerde laag verlaagt de geleidbaarheid van het contactmateriaal: de filmweerstand.
Figuur 2: (a) Het ideale (onrealistische) geval: een gesloten contact met perfecte oppervlakken, zonder contactweerstand. (b) Een beperkt aantal effectieve contactpunten zorgen voor een vernauwing van de stroomlijnen: de constrictieweerstand. (c) Een geadsorbeerde laag verlaagt de geleidbaarheid van het contactmateriaal: de filmweerstand.

Om vertrouwd te geraken met poedertargets en magnetron sputteren worden eerst enkele referentiematerialen bestudeerd. Daarna wordt de stap gemaakt naar HEAs, om uiteindelijk de relaties tussen de eigenschappen van de dunne films en de contactweerstand te onderzoeken. Om hiervan een volledig beeld te krijgen wordt de microstructuur in kaart gebracht met behulp van onder andere XRD, SEM, EDX en XRR.

Samenvatting

We zoeken een enthousiaste student(e) met zin voor experimenteel werk. Interesse in onderzoek naar nieuwe materialen is een pluspunt. Tijdens de thesis komen zowel fundamentele onderzoeksvragen gerelateerd aan de eigenschappen van deze materialen aan bod, en je scherpt via het gebruik van en de aanpassingen aan experimentele opstellingen ook je experimentele (ingenieurs)kwaliteiten aan. We geven jou, naast een plaats en bureau, een leuke omgeving om samen te werken met verschillende onderzoekers. Samen met je begeleider zullen zij voor voldoende ondersteuning zorgen.