Adhäsionsmessung von Metallschichten auf Polymeren

Die Funktionstüchtigkeit und Zuverlässigkeit von Bauelementen für z.B. biegsame Mikroelektronik, Elektrotextilien und flexible Bildschirme werden durch die Verformbarkeit und die Adhäsion von Metallschichten auf Polymersubstraten bestimmt. Vielverspechende Ansätze verwenden moderne Technologien, die z.B. für organische Leuchtdioden, Dünnschichttransistoren und flexible Flüssigkristallbildschirme eingesetzt werden. Diese Systeme besitzen oft Polymer-, Keramik- und Metallschichten mit dehnbaren Leiterbahnen auf einem nachgiebigen Substrat. Für das Design von biegsamen Elektroniksystemen ist es von entscheidender Wichtigkeit, die Grenzflächeneigenschaften zwischen den Materialien zu verstehen. Vor allem müssen Fortschritte im grundlegenden Verständnis von Schichtadhäsion, mechanischen Eigenschaften und Bruch gemacht werden, um Materialgesetze und -Kennwerte bestimmen zu können. Diese sollen zukünftig als Richtlinien für ein besseres Design zur Verfügung stehen. Das Herzstück des geplanten Projekts ist die Entwicklung einer quantitativen Methode, um die Adhäsionsarbeit und Grenzflächenfestigkeit von dünnen Metallschichten auf Polymersubstraten zu bestimmen. Realisiert wird dies mit Hilfe miniaturisierter in-situ Zugversuche, der Analyse der Geometrie und Dimensionen von Beulen, die sich in den Schichten bilden, sowie mechanischer Modelle, mit denen dann die Adhäsionsarbeit bestimmt wird. Die lokalen Dehnungen und Spannungen im Bereich der Beulen und an der Delaminationsfront werden mit Röntgenbeugungs- und Synchrotronmethoden ermittelt. Diese Informationen sollen zu einer umfassenden Modellbildung zur Bestimmung der Adhäsionsenergie beitragen. Um die Zusammenhänge grundlegend zu verstehen, werden die Grenzflächenchemie und die Struktur der Grenzfläche sowie der Schicht mit Augerelektronenmikroskopie und moderner Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Zusätzlich werden die viskoelastischen und thermischen Eigenschaften des Polymersubstrates berücksichtigt und Messungen unter Feuchtigkeit, Temperatur sowie mit unterschiedlichen Dehnraten durchgeführt. Weiters wird der mögliche Einsatz von Elektromigration zur Selbstheilung von Rissen in den Schichten untersucht. Durch den Transport von Atomen mit Hilfe des elektrischen Stroms sollen Anrisse, die während des Zugversuchs sich gebildet haben, überbrückt werden und zu einer besseren Zuverlässigkeit der flexiblen Bauelemente führen. Das vorgeschlagene Projekt wird in einem Zeitraum von 3 Jahren durchgeführt und beruht auf einer nationalen Kooperation von Experten aus den Bereichen Dünnschichttechnologie, Mechanik, Röntgenbeugung und Materialwissenschaft. Während des Projektes werden Ergebnisse auf internationalen Tagungen präsentiert und in hochrangigen Fachzeitschriften publiziert. Durch das Projekt werden grundlegende Einblicke in die Adhäsions- und Versagensmechanismen von Metall-Polymer Grenzflächen gewonnen, die das Design von zukünftigen Bauelementen nachhaltig verbessern werden.

Flexible Elektronik wird die Art der Kommunikation und das Arbeitsverhalten der Menschen verändern. Die Anwendungen dieser Technologie reichen von roll- und faltbaren Bildschirmen und Tablets, über tragbare, in Kleidung integrierte Smartphones, bis hin zu medizinischen Sensoren, die wie ein Sticker auf der Haut kleben. Ihre Flexibilität verdanken diese Bauteile dem speziellen Herstellungsprozess, bei dem dünne, elektrisch leitfähige Linien aus Gold oder Kupfer auf ein weiches, biegsames Polymersubstrat (Plastiksubstrat) gedruckt werden.Bedauerlicherweise ist die Haftung (Adhäsion) von Metall auf Polymeren problematisch. Ist die Haftung zwischen Polymer und Metall unzureichend, kommt es zu mechanischem oder elektrischem Versagen des Bauteils. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine neue und zuverlässige Messmethode und ein entsprechendes Modell entwickelt, um die Adhäsion von Metall-Polymer Grenzflächen zu bestimmen. Dabei werden Verbundsysteme, bestehend aus dünnen Metallfilmen auf flexiblen Polymersubstraten so weit gedehnt, bis der Metallfilm sich vom Polymersubstrat zu lösen beginnt. Aus den Dimensionen der abgelösten Bereiche kann die Adhäsionsarbeit der Grenzfläche bestimmt werden. Diese neue Methode wurde für verschiedenste Metall-Polymer Kombinationen erfolgreich getestet. Mithilfe der neuen Erkenntnisse, basierend auf komplexen Computermodellen, konnte das Dehnungsverhalten der Verbundwerkstoffe simuliert werden. Diese Simulationen tragen maßgeblich zur Veranschaulichung und zum Verständnis der Adhäsionsprozesse bei.Andere äußere Faktoren wie etwa Temperatur, Dehnrate und Luftfeuchtigkeit wurden berücksichtigt, um deren Einfluss auf die Festigkeit der Grenzfläche zu ermitteln. Temperatur und Luftfeuchtigkeit zeigen dabei die größte Bedeutung für die Haftung, da sich die Struktur der Grenzfläche bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit auf atomarer Ebene verändert. Als wichtigste Erkenntnis dieses Projektes konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von haftungsverbessernden metallischen Zwischenschichten zwischen Metall und Polymer nicht notwendig ist. Solche Haftungsverbesserer, wie etwa Titan oder Chrom, haften auf Polymeren besser als Kupfer oder Gold. Aufgrund ihrer Sprödigkeit brechen sie jedoch leichter bei Belastung. Durch den Einsatz solcher Zwischenschichten reduziert sich sowohl die mechanische Festigkeit des Filmsystems als auch die elektrische Leitfähigkeit, welche für die Funktion von flexibler Elektronik unverzichtbar ist. Die bahnbrechenden Ergebnisse dieses Projektes ermöglichen ein tieferes Verständnis der Grenzflächen zwischen Metallen und Polymeren. Mithilfe dieser Erkenntnisse können das Design und die Herstellung von flexibler Elektronik verbessert werden, um zuverlässigere und weniger kostenintensive, aber auch medizinisch verträglichere und umweltfreundlichere Bauteile herzustellen.