Bachelor- & Masterarbeiten

Forschungsrichtungen

4.10.2021
Spraycoating von Silizium-Nanopartikeln als Anodenmaterial für Festkörperbatterien 

Die Forschung zu Festkörperbatterien innerhalb der Arbeitsgruppe erfolgt im Rahmen des Forschungsprojekts "OptiKeraLyt" (Material- und Produktionsprozessoptimierung für Lithium-Ionen-Batterien mit keramischen Festkörperelektrolyten). In unserem Teilprojekt geht es u.a. um die Anbindung der Anode an den Festkörperelektrolyten.  Dabei geht es im Speziellen um die Sprühbeschichtung von planaren und oberflächenstrukturierten Festkörperelektrolyt-Substraten mit Silizium-Nanopartikeldispersionen. Wichtige Parameter sind dabei die Schichthomogenität, sowie die erreichbaren Schichtdicken und -porositäten. 

Mögliche Themen für Bachelor-/Masterarbeiten und Projektarbeiten: 

  • Untersuchung der Nanopartikel-Schichtbildung während des Spraycoatings -> experimentelle Untersuchung und Modellentwicklung  
  • Untersuchungen zur Reduzierung sogenannter Kaffeeringe (Ansammlung von Nanopartikeln am Tropfenrand) durch geeignete Wahl der Dispergiermedien  
  • Analyse der gesprühten Schichten mittels Licht-, Elektronen- und Konfokalmikroskopie  
  • Versuche zur Planarisierung von gesprühten Nanopartikelschichten  
     

MA_Julian
links: Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer gesprühten Silizium-Nanopartikel Schicht, rechts: Konfokalmikroskopaufnahme einzelner gesprühter Silizium-Nanopartikel Tropfen

Kontakt: 

M.Sc. Julian Neises 

Email: 

julian.neises@uni-due.de 

 

4.10.2021
Additiv gefertigte keramische Bauelemente 

Mit der neuartigen LCM- Methode (Lithography-based ceramic manufacturing) können Keramiken, wie Aluminiumoxid und Zirconiumdioxid, additiv gefertigt werden. Bei diesem Verfahren werden Suspensionsdünnfilme mit einem keramischen Nanopartikelanteil von 40-65% nach dem DLP (Digital Light Processing) Prinzip schrittweise selektiv vernetzt, um ein 3D-Werkstück zu formen. Im nachfolgenden Schritt ist eine Temperaturbehandlung zwingend notwendig, um den Polymeranteil auszubrennen und einen Sinterprozess auszulösen. Die so hergestellten Materialien werden hinsichtlich ihrer strukturellen und elektromagnetischen Eigenschaften untersucht. 

Mögliche Themen für Bachelor-/Masterarbeiten und Projektarbeiten:  

  • Einfluss der Druck- und Sinterparameter auf Mikrostruktur und Oberflächenqualität 
  • Untersuchung gedruckter und gesinterter Strukturen anhand von Licht-, Elektronen und Konfokalmikroskopie, Profilometermessungen und Bestimmung der Dichte/Porosität 
  • Strukturierte Oberflächenmodifizierung durch laserinduzierte Metallisierung 
  • Simulation und Messung der elektromagnetischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturen 

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MA_Kai3
links: Aufbau des 3D-Druckers, Mitte: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von gesintertem Aluminiumoxid, rechts: Beispiele für komplizierte Strukturen, die mit der LCM-Methode hergestellt werden können.

Kontakt:  

Dr. Masoud Sakaki 

Email:  

masoud.sakaki@uni-due.de 

Kontakt:  

M.Sc. Kai-Daniel Jenkel  

Email:  

kai-daniel.jenkel@uni-due.de  

 

4.10.2021
Lithium-Ionen-Batterie Anoden basierend auf Silizium Nanopartikeln und vertikal angeordneten Kohlenstoffnanoröhren 

In unserer Arbeitsgruppe wird an einem neuen Anodenkonzept für Lithium-Ionen-Batterien geforscht. Per CVD gewachsene vertikal angeordnete Kohlenstoffnanoröhren (CNT-forests/VACNTs) dienen hierbei als elektrisch leitfähiges Trägermaterial, welches die Oberfläche von üblicherweise verwendeten Kupferfolien dreidimensional erweitert. Siliziumnanopartikel (Si-NP) werden aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität für Lithium und ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber großen Volumenänderungen als Aktivmaterial verwendet und in die Trägerstruktur integriert. Verglichen mit konventionellen Anoden ermöglicht dieses Konzept einen größeren Anteil an Aktivmaterial, das im direkten elektrischen Kontakt mit dem Stromabnehmer Kupfer steht, was sich potenziell positiv auf die Lade- und Entladerate von Batterien auswirkt. Das Anodenkonzept ist in Abbildung 1 b) schematisch skizziert. Unbehandelte CNT-forests sind dicht gepackt und erlauben keine Infiltration von Si-NP (Abb. 1 a) & c)), weshalb zunächst eine Strukturierung/Öffnung der Schicht erforderlich ist. Die bislang untersuchten Verfahren dafür sind: UV-Laserbehandlung, Aufsprühen von Lösemittel. Diese Prozessschritte führen zur Ausbildung von CNT-Bündeln und folglich zur Schichtöffnung (Abb. b) & d)). Das Einbringen des Aktivmaterials (Si-NP) erfolgt per Rakeln, Sprühbeschichtung oder Tauchbeschichtung. 

Bachelor-/Masterarbeiten und Projektarbeiten umfassen typischerweise die folgenden Tätigkeitsbereiche: 

  • Herstellung von Anoden durch Rakeln, Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung. 
  • Probenuntersuchung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM). 
  • Zusammenbau von elektrochemischen Testzellen/Batterien. 
  • Durchführung von elektrochemischen Test, wie z. B. galvanostatisches/potentiostatisches Zyklisieren, elektrochemische Impedanzspektroskopie, zyklische Voltammetrie. 

MA_Damian
Schematische Darstellung unseres Anodenkonzepts. Silizium-Nanopartikel (Si-NP) werden auf ein elektrisch leitendes Gerüst aus vertikal angeordneten Kohlenstoffnanoröhrchen (VACNTs) abgeschieden. a) unbearbeitete VACNTs bieten keinen Platz zur Infiltration von Si-NP; b) bei strukturierten VACNTs können die Seitenwände mit Si-NP beschichtet werden. Draufsicht REM Aufnahmen von VACNT Schichten, c) unbearbeitet; d) nach einer Ethanol Sprühbehandlung. REM Aufnahmen von VACNT nach der Tauchbeschichtung mit Batterie-Slurry, e) Draufsicht; f) Querschnitt-Ansicht, die Lücken zwischen CNT-Bündeln sind nun komplett mit Anoden-Aktivmaterial gefüllt.

Kontakt: 

M.Sc. Damian Pandel 

Email: 

damian.pandel@uni-due.de

 

4.10.2021
Per Inkjet gedruckte Silizium-Schottky-Dioden 

Durch Dispergierung von Silizium-Nanopartikeln in geeigneten organischen Dispergiermitteln wird Silizium druckbar gemacht. Der Inkjet-(Tintenstrahl-)Druck ermöglicht die Deposition von einzelnen Tropfen im Pikoliter-Bereich, die per Laserbehandlung funktionalisiert und zur Herstellung von Schottky-Dioden eingesetzt werden können. Hierbei kann durch Entwicklung spezialisierter Silizium-Tinten die Trocknung so gesteuert werden, dass eine feine Strukturierung der abgeschiedenen Nanopartikel erreicht wird, die noch unterhalb der nativen Auflösung des Inkjet-Drucks liegt.  

Mögliche Themen für Bachelor-/Masterarbeiten und Projektarbeiten: 

  • Versuche zum Inkjet-Druck von dispergierten Silizium-Nanopartikeln, Fotolack und Metall-Tinten 
  • Entwicklung von Silizium-Tinten zur Optimierung der gedruckten Nanopartikel-Depositionen 
  • Untersuchung gedruckter nanopartikulärer Strukturen anhand von Licht-, Elektronen- und Konfokalmikroskopie; Profilometermessungen; und Bearbeitung per UV-Excimer-Laser 
  • Herstellung von Schottky-Dioden und elektrische Charakterisierung durch Messungen von IU-Kennlinien und Hochfrequenz-Eigenschaften 

MA_Fabian
Links: Dreidimensionale Konfokal-Aufnahmen von per Inkjet gedruckten Silizium-Nanopartikel. Rechts: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der per Laserbehandlung strukturierten Nanopartikel

Kontakt: 

M.Sc. Fabian Langer 

Email: 

fabian.langer@uni-due.de 

 

4.10.2021
Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von Silizium µ-Konen Schottky Dioden  

Durch die Lasermaterialbearbeitung von Silizium (Si) Nanopartikel Dünnfilmen bilden sich selbstorganisiert Kegelstrukturen (µ-Konen) mit hoher Kristallinität aus. Werden diese mittels zweier unterschiedlicher Metalle kontaktiert, wobei eines einen Schottky-Kontakt zu den Si µ-Konen ausbildet, können im GHz-Bereich schaltende Schottky-Dioden hergestellt werden. Da die einzelnen Konen untereinander nur durch den Isolator und die Kontakte verbunden sind und aufgrund ihrer geringen Grundfläche mit einem Durchmesser von ~1 μm, ist die Diodenstruktur zudem potentiell mechanisch flexibel. 

Für zukünftige Abschlussarbeiten sind in diesem Zusammenhang die folgenden Themen von Interesse: 

  • Die Realisierung von µ-Konen Schottky-Dioden auf flexiblen Substraten wie Papier oder Folien 

Um die Flexibilität der µ-Konen Schottky-Dioden nachzuweisen, ist der Transfer der Diodenstruktur auf flexible Substrate unumgänglich. 

  • Die Reduzierung von Verlusten durch parasitäre Strompfade durch Integration eines Druckprozesses zur Si-NP Abscheidung 

Bisher konnte eine Diodenfunktionalität der µ-Konen Schottky-Diode bis ca. 4 GHz nachgewiesen werden, wobei relativ hohe Verluste diese Messung limitiert haben. Ziel ist es somit diese Verluste zu reduzieren, indem beispielsweise  parasitäre Strompfade durch Integration eines Druckprozesses zur Si-NP Abscheidung reduziert werden. 

MA_Laura
Links: Rasterelektronenmikroskop (REM) Aufnahme der durch einen Laserprozess gebildeten Si μ-Konen Strukturen in der Draufsicht; rechts: schematische Darstellung der Diodenstruktur in der Seitenansicht

Kontakt: 

M.Sc. Laura Kühnel 

Email: 

laura.kuehnel@uni-due.de 

 

 

Gerne bieten wir Studendierenden weitere Themen für eine Bachelor- oder Masterarbeit an.

Bei Interesse wenden Sie sich bitte an: Andreas Trampe

 

Sie können aber auch alle wissenschaftlichen Mitarbeiter*innen des Fachgebietes NST zu spezifischen Fragestellungen ansprechen, die sie besonders interessieren.