HomeGroupResearchSoftwareStudent InfoRSD Series

DRAFT   

a research group of the department of Solid State Sciences, Ghent University


Onze onderzoeksgroep DRAFT biedt drie Master thesisonderwerpen aan voor het academiejaar 2019-2020.
Aarzel niet om ons te contacteren of om eens langs te komen voor bijkomende informatie.

De onderwerpen staan gebundeld in dit document.

Een basistekst over de gebruikte techniek kan je na lezen in het januari nummer (2008) van het tijdschrift "Oppervlaktetechnieken" (VOM-NL)

 


Master Thesis n°1: "Hot" targets: een experimentele en modelstudie van warme kathode oppervlakken

Reactief magnetron sputterdepositie:

In de hedendaagse wereld zijn dunne deklagen of coatings technologisch onmisbaar geworden. De voornaamste reden hiervoor is het belang van het oppervlak bij de interactie tussen een materiaal en zijn omgeving. Er bestaan verschillende depositietechnieken voor het aanbrengen van zulke deklagen met elk hun voor- en nadelen. Magnetron sputterdepositie neemt hier onbetwist een prominente positie in. Deze techniek is gebaseerd op een magnetisch geassisteerde gasontlading. De gevormde ionen in het plasma bombarderen de kathode of target waardoor atomen uit de target worden losgeslagen. Deze ‘gesputterde’ atomen propageren vervolgens naar het substraat en condenseren tot een deklaag. Bij reactief sputteren worden ook niet-inert gassen zoals zuurstof of stikstof aan de gasontlading toegevoegd. Hierdoor kunnen ook oxiden en nitriden als deklaag met aangepaste stoichiometrie gevormd worden.

Probleemstelling:

De ionen gevormd in de ontlading bombarderen de kathode of target waarvan er atomen worden weggeslagen. De energie-efficiëntie van dit sputterproces is echter laag en grootste deel van de ionenenergie wordt omgezet in thermische energie die de target en zijn oppervlak opwarmt. De target zou smelten of ernstig beschadigd raken indien er geen degelijke koeling wordt voorzien. Gecontroleerde target verwarming kan echter ook zijn voordelen hebben. Magnetische materialen bijvoorbeeld, zijn moeilijk te sputteren in een magnetron. Wanneer nu de targettemperatuur boven de Curie temperatuur van het materiaal wordt gebracht, kunnen hogere depositie snelheden worden bereikt. Daarnaast kan targetverwarming ook voordelig zijn voor materialen met een hoge dampspanning waarbij opnieuw hogere depositie snelheden kunnen worden bereikt. Dit komt door een bijkomende verdamping of sublimatie van het materiaal, naast het sputteren. Wanneer nu een reactief gas wordt toegevoegd aan het proces, kan de nefaste chemische reactie aan het target oppervlak worden vertraagd wat de proces stabiliteit ten goede komt. Naast deze procesvoordelen, betekent een hogere targettemperatuur, een reductie van de koelingscapaciteit wat resulteert in een ‘groener’ of duurzamere depositie techniek. Ondanks dit soms onderschatte efficiëntie potentieel, ontbreekt er een goede beschrijving van de oppervlaktetemperatuur van de target. Dit komt door de inherente complexiteit van het reactief sputter proces. Fysische processen zoals de energie aanlevering door de bombarderende ionen, warmte verliezen door straling en thermische geleidbaarheid doorheen de target moet worden gekwantificeerd om de target oppervlak temperatuur te kunnen beschrijven. Deze master thesis zal deze problemen aanpakken in een experimenteel gevalideerd model.

Doelstelling:

Deze thesis is tweeledig. Enerzijds vormt de experimentele bepaling van de target temperatuur een belangrijke uitdaging. Om dit te bereiken zal de student onder onze begeleiding een bestaande opstellingen dienen aan te passen. Technische vaardigheid, creativiteit en een probleemoplossend denkvermogen komen hier goed van pas. De aangepaste opstelling zal je in staat stellen om de targettemperatuur te monitoren als functie van de verschillende depositie omstandigheden. Anderzijds zullen de experimentele resultaten worden geverifieerd door een model. Om dit te bereiken, kan de student steunen op een lange traditie binnen de onderzoeksgroep van het modelleren van diverse aspecten van het reactief sputter proces. Door het fitten van deze modellen aan de verworven experimentele resultaten, kunnen cruciale parameters worden bepaald die experimenteel moeilijk te achter halen zijn. Op deze manier vormt deze thesis een belangrijke bijdrage aan het beter begrijpen en beschrijven van de fysica achter deze belangrijke depositie techniek. We zoeken een enthousiaste student met zin voor experimenteel en computationeel fundamenteel onderzoekswerk. We bieden jou een aangename omgeving waar je samenwerkt met verschillende onderzoekers, niet allen aan jou eigen bureau maar ook in het labo. Samen met je begeleider en promotoren werk je toe naar een vernieuwend en volwaardig werkstuk.

CONTACTPERSONEN: 

  • Diederik.Depla@ugent.be
  • Koen.Strijckmans@ugent.be

Master Thesis n°2: Duurzame depositie van ultra poreuze dunne films

Probleemstelling:

Poreuze films kennen een brede waaier aan toepassingen. De voornaamste hiervan houden verband met (katalytische) chemische reacties aan het oppervlak van de poreuze film. Het grote contactoppervlak zorgt ervoor dat ze het ideale materiaal zijn om te gebruiken bij katalysatoren of om te gebruiken als katalytisch materiaal. In deze context zijn poreuze films aanwezig in verschillende toestellen; dunne film batterijen, brandstofcellen, gassensoren, thermochrome ramen en zonnecellen zijn enkele voorbeelden. Andere toepassingen maken gebruik van de lage-k diëlektrische eigenschappen, lage brekingsindex of thermische geleidbaarheid. Een voorbeeld van deze laatste eigenschap zijn thermische barrière coatings, die gevoelige oppervlakken beschermen van intense hitte. Magnetron sputteren is één van de meest geschikte technieken om dunne lagen af te zetten op grote schaal. Dit is een laagvacuümtechniek die gebruik maakt van een magnetisch geassisteerde glimontlading om dunne films te groeien. De techniek wordt vooral gebruikt om dense films af te zetten. Poreuze films kunnen enkel groeien aan lage depositiesnelheden. Om aan dit probleem tegemoet te komen krijgen de dunne lagen vaak een chemisch nabehandeling om porositeit te induceren. De gebruikte chemicaliën zijn behoorlijk agressief en schadelijk voor het milieu. Daarenboven valt het opgeloste materiaal moeilijk te recycleren. Een nieuwe methode werd ontwikkeld binnen de onderzoeksgroep die enkel gebruik maakt van water en oplosbare zouten om de poreuze films te verkrijgen. Het verband tussen de depositieomstandigheden, het bronmateriaal en de uiteindelijke porositeit vraagt verder onderzoek voordat de methode kan toegepast worden op grote schaal.

Doelstelling:

Het doel van deze masterproef is om poreuze dunne films af te zetten, op basis van een nieuwe, duurzame methode. De student zal dunne lagen afzetten met behulp van een poedertarget. Het poeder is een mengsel van een wateroplosbaar zout en een metaal. Depositie met deze target produceert een zout bevattende dunne film. Een eenvoudige waterbehandeling verwijdert het zout waardoor enkel een dunne film van het gewenste materiaal overblijft. Om vertrouwd te geraken met de techniek zullen enkele referentiematerialen via sputterdepositie vanaf poedertargets afgezet worden. Hierbij ligt de focus op het begrijpen van de rol van de verschillende depositieomstandigheden op de eigenschappen van de film. Om de kinetiek van het oplosproces te volgen, zullen tijdens de masterthesis een in-situ karakteriseringsmethode ontwikkeld worden. De Microstructuur/textuur van de dunne films zal bestudeerd worden met behulp van XRD, SEM, EDX en XRR 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 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.

CONTACTPERSONEN: 

  • Diederik.Depla@ugent.be
  • Robin.Dedoncker@ugent.be

 


Master Thesis n°3: Depositie van High Entropy Alloys als contactweerstand

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:

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 worden gebombardeerd tegen de kathode (ook wel target genoemd). 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. 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.

CONTACTPERSONEN:

  • Robin.Dedoncker@ugent.be
  • Diederik.Depla@ugent.be