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Thermal stability of magnetron sputtered W/HfO₂ and Ir/HfO₂ thin films used as selective emitter in thermophotovoltaic applications
Citation Link: https://doi.org/10.15480/882.8364
Publikationstyp
Doctoral Thesis
Date Issued
2023
Sprache
English
Author(s)
Advisor
Referee
Title Granting Institution
Technische Universität Hamburg
Place of Title Granting Institution
Hamburg
Examination Date
2023-06-27
TORE-DOI
Citation
Technische Universität Hamburg (2023)
Hochtemperaturstabilität und Langlebigkeit eines selektiven Emitters sind die beiden entscheidenden Parameter, um hohe Strahlungsleistung und einen höheren Wirkungsgrad beim Einsatz in einem thermophotovoltaischen System (TPV) zu erzielen.
Bei hohen Temperaturen sind thermisch-aktivierte Prozesse wie Diffusion, Kornwachstum, Phasentransformation, Erholung, chemische Reaktionen insbesondere
Oxidation sowie Sublimation von Metalloxiden wirksam und somit stellt die thermische Stabilität eines Dünnschichtsystems eine besondere Herausforderung
dar. In dieser Arbeit wurden die thermische Stabiliät und die Versagensmechanismen einer 1D-Metamaterial-Vielfachschicht als selektiver Emitter untersucht und analysiert. Zwei Dünnschichtsysteme: W/HfO2 und Ir/HfO2 standen aufgrund ihrer besonderen Materialeigenschaften (hoher Schmelzpunkt und niedriger Vakuumdampfdruck) im Fokus. Sie wurden mittels Magnetron sputtering hergestellt und durch Röntgenbeugung (XRD) untersucht. Die in-situ Hochtemperaturuntersuchungen (bis zu 2000 ⁰C) unter Verwendung von Heizbändern und die Abschätzung der Probentemperatur waren herausfordernd, dadurch wurde ein spezielles Wissen für die Hochtemperaturvalidierung unterschiedlicher Materialien aufgebaut. Der erste Teil der Arbeit zeigt die Heizexperimente an selektiven W/HfO2-Emitterschichten in verschiedenen Temperatur- (1000 ⁰C bis 1520 ⁰C) und Vakuumdruckbereichen (2 × 10-2 mbar bis 2 × 10-6 mbar). Eine selektive W/HfO2-Emitterschicht ist bis 6 h bei 1400 ⁰C und 2 × 10-5 mbar stabil, welches bisher einer der weltweit höchsten erreichten Werte ist. Darüber hinaus erfolgte eine detaillierte in-situ Röntgenanalyse am Schichtsystem HfO2/W/HfO2 zwischen 300 ⁰C und 1520 ⁰C im Hinblick auf die Mechanismen, die zu strukturellen und mikrostrukturellen Veränderungen wie Relaxation, Phasenumwandlung, Kornwachstum und schließlich zum Versagen (Degradation) führen. Der Hauptgrund des Versagens in einer selektiven
W/HfO2-Emitterschicht ist auf die Oxidation des Wolframs gefolgt durch eine Sublimation des Suchtigen Wolframoxids zurückzuführen. Für diesen Prozess wurde eine Aktivierungsenergie von 1.2 eV abgeschätzt. Im Falle des HfO2 wurde eine polymorphe Phasentransformation beobachtet. Die strukturelle Umwandlung der Phasen verursacht einen Anstieg des Volumens der Einheitszelle, der wiederum zur Bildung von Leerstellen, Poren sowie der Entstehung von Transportkan alen entlang der Korngrenzen in der keramischen Schicht führt.
Im zweiten Teil wird ein systematischer Ansatz verfolgt, um die thermische Stabilität des Metalls Iridium gegen Oxidation und die Lebensdauer der selektiven Ir/HfO2-Emitterschicht zu testen. Zunächst wurden in-situ XRD-Untersuchungen am Schichtsystem: HfO2/Ir/HfO2 zwischen 800 ⁰C - 1100 ⁰C bei 2 × 10-6 mbar durchgeführt. Iridium zeigte eine sehr gute thermische Stabilität bis zu 1000 ⁰C unterstützt durch HfO2 als hervorragende Deckschicht. Bei Temperaturen über 1000 ⁰C begann die Iridium-schicht
zu agglomerieren, was bedeutet, dass die treibende Kraft eine Minimierung der Oberflächenenergie ist. Die thermische Stabilität wurde auch durch exsitu
XRD-Untersuchungen bei unterschiedlichen Drücken von 1 bar bis zu 2 × 10-5 mbar im Schichtsystem HfO2/Ir/HfO2 verifiziert, welche bis zu 100 h bei 1000 ⁰C und 2 × 10-2 mbar stabil ist. Satellitenreflexe wurden nahe am primären (111) Ir-Peak beobachtet, die als wichtiger Hinweis für die thermische Stabilität dienen können. Ein finaler Vergleich erfolgte zwischen verschiedenen Metamaterialschichten bestehend aus W/HfO2 und Ir/HfO2 bei 1000 ⁰C und 2 × 10-2 mbar. Über 100 h weist Iridium eine exzellente
thermische Stabilität im Vergleich zu Wolfram auf. Die in dieser Arbeit durchgeführten Hochtemperaturexperimente und - analysen bieten eine neue Perspektive auf die thermische Stabilität, die in Dünnschichtsystemen praktisch erreicht werden kann und ermöglichen die Entwicklung selektiver Emitter für TPV-Systeme der nächsten Generation.
Bei hohen Temperaturen sind thermisch-aktivierte Prozesse wie Diffusion, Kornwachstum, Phasentransformation, Erholung, chemische Reaktionen insbesondere
Oxidation sowie Sublimation von Metalloxiden wirksam und somit stellt die thermische Stabilität eines Dünnschichtsystems eine besondere Herausforderung
dar. In dieser Arbeit wurden die thermische Stabiliät und die Versagensmechanismen einer 1D-Metamaterial-Vielfachschicht als selektiver Emitter untersucht und analysiert. Zwei Dünnschichtsysteme: W/HfO2 und Ir/HfO2 standen aufgrund ihrer besonderen Materialeigenschaften (hoher Schmelzpunkt und niedriger Vakuumdampfdruck) im Fokus. Sie wurden mittels Magnetron sputtering hergestellt und durch Röntgenbeugung (XRD) untersucht. Die in-situ Hochtemperaturuntersuchungen (bis zu 2000 ⁰C) unter Verwendung von Heizbändern und die Abschätzung der Probentemperatur waren herausfordernd, dadurch wurde ein spezielles Wissen für die Hochtemperaturvalidierung unterschiedlicher Materialien aufgebaut. Der erste Teil der Arbeit zeigt die Heizexperimente an selektiven W/HfO2-Emitterschichten in verschiedenen Temperatur- (1000 ⁰C bis 1520 ⁰C) und Vakuumdruckbereichen (2 × 10-2 mbar bis 2 × 10-6 mbar). Eine selektive W/HfO2-Emitterschicht ist bis 6 h bei 1400 ⁰C und 2 × 10-5 mbar stabil, welches bisher einer der weltweit höchsten erreichten Werte ist. Darüber hinaus erfolgte eine detaillierte in-situ Röntgenanalyse am Schichtsystem HfO2/W/HfO2 zwischen 300 ⁰C und 1520 ⁰C im Hinblick auf die Mechanismen, die zu strukturellen und mikrostrukturellen Veränderungen wie Relaxation, Phasenumwandlung, Kornwachstum und schließlich zum Versagen (Degradation) führen. Der Hauptgrund des Versagens in einer selektiven
W/HfO2-Emitterschicht ist auf die Oxidation des Wolframs gefolgt durch eine Sublimation des Suchtigen Wolframoxids zurückzuführen. Für diesen Prozess wurde eine Aktivierungsenergie von 1.2 eV abgeschätzt. Im Falle des HfO2 wurde eine polymorphe Phasentransformation beobachtet. Die strukturelle Umwandlung der Phasen verursacht einen Anstieg des Volumens der Einheitszelle, der wiederum zur Bildung von Leerstellen, Poren sowie der Entstehung von Transportkan alen entlang der Korngrenzen in der keramischen Schicht führt.
Im zweiten Teil wird ein systematischer Ansatz verfolgt, um die thermische Stabilität des Metalls Iridium gegen Oxidation und die Lebensdauer der selektiven Ir/HfO2-Emitterschicht zu testen. Zunächst wurden in-situ XRD-Untersuchungen am Schichtsystem: HfO2/Ir/HfO2 zwischen 800 ⁰C - 1100 ⁰C bei 2 × 10-6 mbar durchgeführt. Iridium zeigte eine sehr gute thermische Stabilität bis zu 1000 ⁰C unterstützt durch HfO2 als hervorragende Deckschicht. Bei Temperaturen über 1000 ⁰C begann die Iridium-schicht
zu agglomerieren, was bedeutet, dass die treibende Kraft eine Minimierung der Oberflächenenergie ist. Die thermische Stabilität wurde auch durch exsitu
XRD-Untersuchungen bei unterschiedlichen Drücken von 1 bar bis zu 2 × 10-5 mbar im Schichtsystem HfO2/Ir/HfO2 verifiziert, welche bis zu 100 h bei 1000 ⁰C und 2 × 10-2 mbar stabil ist. Satellitenreflexe wurden nahe am primären (111) Ir-Peak beobachtet, die als wichtiger Hinweis für die thermische Stabilität dienen können. Ein finaler Vergleich erfolgte zwischen verschiedenen Metamaterialschichten bestehend aus W/HfO2 und Ir/HfO2 bei 1000 ⁰C und 2 × 10-2 mbar. Über 100 h weist Iridium eine exzellente
thermische Stabilität im Vergleich zu Wolfram auf. Die in dieser Arbeit durchgeführten Hochtemperaturexperimente und - analysen bieten eine neue Perspektive auf die thermische Stabilität, die in Dünnschichtsystemen praktisch erreicht werden kann und ermöglichen die Entwicklung selektiver Emitter für TPV-Systeme der nächsten Generation.
Subjects
Magnetron sputtering
Selective emitters
Thermophotovolatics
Thin films
XRD
DDC Class
621: Applied Physics
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Name
Gnanavel_Phd_thesis.pdf
Size
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Format
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