Heterokontakte in funktionellen Oxidaggregaten: Deskriptoren für Heterogenität, Aggregatdesign und Prozesssimulation für nanostrukturierte optische Preformmaterialien

Projektleitung:

Dr.in Katrin Wondraczek
Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT)

Prof. Dr.-Ing.  Lothar Wondraczek
Friedrich-Schiller-Universität Jena

Das vorliegende Projekt zielt auf die Erzeugung, das mechanistische Verständnis und die Implementierung von Prozessmodellen von Heterokontakten in anorganischen Oxidpartikelaggregaten ab, die durch Gasphasenprozessierung gewonnen werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der spezifischen Materialfunktionalität, die sich aus solchen Heterokontakten im Zusammenhang mit partikelbasierten Prekursoren und Grünkörpern für optische und photonische Anwendungen ergibt. In der ersten Förderphase wird besonderes Augenmerk auf zwei Arten von Heterokontakten gelegt: Kontakte zwischen Oxidpartikeln mit variabler chemischer Zusammensetzung (heterochemische Kontakte) und Kontakte zwischen Oxidpartikeln mit variabler Atomstruktur, insbesondere kristallinen und amorphen Partikeln äquivalenter chemischer Zusammensetzung (heterostrukturelle Kontakte). Wir erwarten, dass ein umfassendes Grenzflächendesign auf Aggregatebene in zweierlei Hinsicht einzigartige Möglichkeiten bei der Herstellung von Funktionsmaterialien bietet. Zunächst wird angenommen, dass die Nutzung von Heterokontakten zur Anpassung von Weiterverarbeitungsschritten (zum Beispiel Sinterfähigkeit, Auslösen oder Unterdrücken von Grenzflächenreaktionen, Kontakttransportreaktionen) neue Wege zu bisher noch unzugänglichen Materialeigenschaften ermöglicht, beispielsweise in Kombination von vermutlich inkompatiblen Materialchemien.

Weiterhin ist die Gasphasenaggregation heterogener Materialformulierungen eine Grundvoraussetzung für die Herstellung optischer Bulkmaterialien mit kontrollierter nanoskaliger Heterogenität über die Grenzen der direkten (Flüssigphasen-) Dotierung hinaus. Beide Aspekte erfordern grundlegende Überlegungen und ein besonderes Maß an interdisziplinären Einsichten, wie sie im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2289 angeboten werden, an das wir uns mit diesem Vorschlag wenden.Wir werden zunächst umfassende Analysenprotokolle entwickeln, die die Charakterisierung und das mechanistische Verständnis der Funktionalität nanoskaliger Oxidaggregate für das Design spezifischer Materialfunktionen auf der Basis von Heterokontakten ermöglichen. Dies dient insbesondere dazu, das Verständnis nichtlinearer Mischeffekte auf der Ebene der Materialeigenschaften (die grundlegende Rolle des Kontakts) mit Aggregationsstrategien (basierend auf Prozessverständnis und Simulationswerkzeugen) zu verbinden. Partikelstrukturen werden per Koaggregation unter Verwendung einer Strahleinspeisung hergestellt unterstützt atmosphärische Mikrowellenplasmabehandlung. Wir zielen auf die universelle Anwendbarkeit von Werkzeugen und das generelle Verständnis ab und gehen vom Beispiel heterogener Partikelaggregate bestehend aus mit SE dotierten SiO2 und Al2O3-Nanopartikeln aus. Diese bieten neben dem spezifischen Anwendungskontext auch die Möglichkeit zur optischen Verfolgung der Kontaktbildung/ -entwicklung.Sie können somit als Modellsysteme für einen größeren Bereich fester Aggregate und die Aggregatbildung in der Gasphase dienen.