„Wir überführen die Schichtentwicklung von einem Trial-and-Error-Prinzip in ein systematisches Screening. Damit lassen sich komplexe Materialsysteme in einem Bruchteil der bisherigen Zeit untersuchen“, erläutert Dr. Martin Fenker, Abteilungsleiter Plasma-Oberflächentechnik am fem Forschungsinstitut.
Kern ist das Combinatorial Magnetron Sputtering (CMS), bei dem mehrere Magnetron-Sputterquellen gleichzeitig betrieben werden. Durch die Anordnung der Quellen entstehen definierte laterale Zusammensetzungsgradienten auf dem Substrat.
Eine Beschichtungsprobe umfasst viele Varianten
Dieses Prinzip verwandelt eine Probe in eine Materialbibliothek: In einem Prozesslauf entstehen viele unterschiedliche Materialvarianten, die systematisch analysiert werden. Eigenschaften wie Härte, Korrosionsverhalten oder optische Parameter lassen sich entlang dieser Gradienten der Zusammensetzung zuordnen.
Im Unterschied zur klassischen Entwicklung, die auf iterativer Annäherung basiert, ermöglicht der Ansatz eine strukturierte Durchmusterung von Materialsystemen. Der experimentelle Aufwand bezüglich der Schichtabscheidungen reduziert sich mindestens um den Faktor 10 bis 100, während gleichzeitig Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Phasenbildung und Funktionseigenschaften deutlich werden.
Die ortsaufgelöste Charakterisierung – etwa über CIE-Lab-Farbmessungen, instrumentierte Härteprüfungen oder Korrosionstests – erzeugt dabei strukturierte Datensätze. Diese bilden die Grundlage für eine datengetriebene Materialentwicklung und Methoden der Materialinformatik und Künstlichen Intelligenz.
Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wurde in mehreren Projekten demonstriert. Im EU-Projekt „Coloured Gold“ konnten durch kombinatorisches Co-Sputtern unterschiedliche Farbzustände in metallischen Schichten erzeugt werden. Entwicklungszyklen für die Schichtabscheidungen verkürzten sich dabei von vielen Jahren auf wenige Monate.
Im IGF-Projekt „Refmags“ wurde die Methode auf komplexe Metallnitridsysteme übertragen. Hier zeigte sich, dass sich mechanische und chemische Eigenschaften über den Magnesiumgehalt einstellen lassen. Gleichzeitig konnten die Forscher systematische Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Mikrostruktur und Eigenschaften identifizieren.
Entwicklungszeiten neuer Schichten verkürzt
Für die industrielle Praxis bedeutet das einen Wettbewerbsvorteil: Unternehmen können Materialsysteme schneller bewerten, Entwicklungsrisiken reduzieren und ihre Zeit zur Markteinführung verkürzen. Gerade für kleine und mittlere Unternehmen ist dieser Ansatz besonders relevant. Sie können die kombinatorische Schichtentwicklung als Screening-Plattform nutzen, um Materialsysteme zu identifizieren, bevor diese in serienrelevante Prozesse gelangen. So können sie Fehlinvestitionen vermeiden.
Der kombinatorische Ansatz ist skalierbar und auf zahlreiche Anwendungen übertragbar – von verschleiß- und korrosionsbeständigen Schutzschichten über dekorative Oberflächen bis hin zu optischen und funktionalen Beschichtungen sowie Anwendungen in der Energie- und Medizintechnik. Für mittelständische Unternehmen eröffnet der Ansatz damit einen effizienteren Zugang zu neuen Materialien und verkürzt den Weg von der Idee zur industriellen Anwendung.