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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Einstellung einer Tropfenkondensation auf einer Oberfläche eines Substrats mittels Ionenimplantation sowie ein derartig oberflächenstrukturiertes Substrat.
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Ein Dampf schlägt sich auf einer festen Oberfläche, beispielsweise einer Wand, als Flüssigkeit nieder, sofern die Temperatur der Oberfläche unterhalb einer Sattdampftemperatur des Dampfes liegt. Dieser Vorgang wird als Kondensation bezeichnet. Diese Kondensation wird in zwei Klassen unterteilt, nämlich eine Filmkondensation, bei der sich ein zusammenhängender Film auf der Oberfläche ausbildet, und eine Tropfenkondensation, bei der die Oberfläche durch räumlich voneinander separierte Tropfen benetzt wird. Die Tropfenkondensation ist hierbei ein technisch vorteilhafter Prozess, da eine Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms oftmals störend und unerwünscht ist und die Kondensation von Flüssigkeiten aus der Dampfphase durch Tropfenkondensation erheblich beschleunigt werden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Möglichkeiten bekannt, die Tropfenkondensation, beispielsweise von Wasser, zu erreichen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche mit hydrophoben Materialien zu beschichten, was allerdings einen thermischen Kontakt zwischen der Oberfläche und den Tropfen verschlechtert. Sofern die Beschichtung möglichst dünn ausgeführt wird, ist eine derartige Beschichtung zudem im Allgemeinen nicht über längere Zeiträume stabil. Eine weitere Möglichkeit sieht eine Strukturierung der Oberfläche nach dem Vorbild eines Lotusblatts vor. Eine derartige Oberflächenbehandlung ist allerdings in der Regel zu teuer für die Anwendung auf großen Oberflächen.
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Schließlich beschreibt die Druckschrift
WO 99/18252 A1 die Verwendung von Ionenimplantation zur gezielten Modifizierung von Oberflächen. Nachteilig an dieser Methode ist, dass die physikalischen Prozesse, welche für die Tropfenkondensation nach der Ionenimplantation verantwortlich sind, nicht hinreichend verstanden sind, sodass eine effiziente und zielgerichtete Einstellung der Eigenschaften bislang nicht möglich war.
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Der vorliegenden Anmeldung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, welches die genannten Nachteile vermeidet, das also kostengünstig eine gezielte Einstellung der Tropfenkondensation ohne Beeinträchtigung der Wärmeübertragungsfähigkeit erlaubt. Ferner liegt der vorgeschlagenen Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein oberflächenstrukturiertes Substrat zu entwickeln, welches die Tropfenkondensation auf seiner Oberfläche stimuliert und beschleunigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein oberflächenstrukturiertes Substrat nach Anspruch 8.
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Das vorgeschlagene Verfahren zur gezielten Einstellung einer Tropfenkondensation auf einer Oberfläche eines Substrats umfasst ein Richten eines Ionenstrahl unter einem gegenüber der Oberflächennormalen um zwischen 30° bis 80°, vorzugsweise 45° bis 60°, geneigten Winkel auf die Oberfläche des Substrats zur Implantation von Ionen in die Oberfläche und einer daraus resultierenden Strukturierung der Oberfläche. Die Ionen verbleiben im Material der Oberfläche und diese wird durch den Ionenstrahl derart strukturiert, dass sich an der Strukturierung der Oberfläche Tropfen einer Flüssigkeit leichter absetzen können.
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Die Neigung des Ionenstrahls erlaubt eine schnellere Ausbildung der gewünschten Oberflächenstrukturierung, mithin also eine Reduzierung einer für die Oberflächenstrukturierung benötigten Zeit. Außerdem werden hierdurch auch eine größere Abtragungsrate und eine verstärkte Aufrauhung der Oberfläche erreicht, wobei die Tropfenkondensation durch eine aufgeraute Oberfläche, welche Kondensationskerne bildet, erleichtert wird. Somit verläuft auch die Tropfenkondensation auf der durch das Verfahren strukturierten Oberfläche schneller.
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Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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In vorteilhafter Weise ist der Winkel, unter dem der Ionenstrahl auf die Oberfläche des Substrats auftrifft, durch ein Neigen des Substrats einstellbar. Das Substrat und damit auch die Substratoberfläche ist im Allgemeinen einfacher zu neigen als der Ionenstrahl in seiner Lage zu verändern ist, sodass hierdurch einfach und schnell der Winkel verändert werden kann.
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Es kann dementsprechend vorgesehen sein, dass der Ionenstrahl mindestens zwei Mal unter mindestens zwei verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche gerichtet wird. Hierdurch kann eine unterschiedlich große Aufrauhung bei jedem dieser Schritte erreicht werden, sodass insgesamt die Aufrauhung deutlich vergrößert wird.
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Außerdem ist vorzugsweise der Ionenstrahl nur auf einen Teil der Oberfläche gerichtet. Hierdurch kann auch nur besagter Teil der Oberfläche in bevorzugter Weise für die Tropfenkondensation zur Verfügung stehen, sodass auf der Oberfläche Bereiche mit unterschiedlich starker Begünstigung der Tropfenkondensation ausgebildet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens kann durch den Ionenstrahl eine selbstjustierende Nanostruktur auf der Oberfläche ausgebildet werden. Durch die selbstjustierende Ausbildung kann eine gleichmäßige Strukturierung erreicht werden, sodass auch die Tropfenkondensation gleichmäßig auf der durch den Ionenstrahl behandelten Oberfläche erfolgt. Die Ausbildung der Struktur mit Abmessungen im Nanometerbereich kann die Tropfenkondensation in vorteilhafter Weise unterstützen, da die Struktur in einem passenden Größenbereich für Kondensationskerne liegt.
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Eine Dosis der Ionen kann zwischen 1015 cm–2 bis 1017 cm–2 betragen. Die Dosis der Ionen sorgt für eine entsprechende Oberflächenmodifikation, wodurch die Stärke der Tropfenkondensation und somit die Höhe der Wärmeübertragungsleistung eingestellt werden können. Der angegebene Wert für die Dosis der Ionen von 1015 cm–2 bezeichnet die untere Grenze, ab der die Tropfenkondensation bei der mit der Ionenimplantation behandelten Oberfläche feststellbar ist. Höhere Dosen sind natürlich möglich, erhöhen aber auch eine zur Erzeugung der dafür notwendigen Ionenanzahl benötigten Bearbeitungszeit.
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Die Energie der Ionen kann im Kiloelektronenvoltbereich zwischen 1 keV und 100 keV, bevorzugt zwischen 1 keV und 50 keV liegen. Die Dosis der Ionen und der Energiebereich können auch in Abhängigkeit von dem Winkel gewählt werden. So kann bei einem der Winkel, der eine hohe Abtragrate und eine stärkere Strukturierung der Oberfläche bewirkt, die Dosis und/oder die Energie entsprechend kleiner gewählt werden, um trotzdem eine gleichartige Strukturierung der Oberfläche zu erreichen.
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Das Substrat kann ein Metall umfassen. Metalle sind bevorzugte Materialien für die Tropfenkondensation. Vorzugsweise umfasst das Substrat Aluminium, Titan, Tantal, Silber, Kupfer oder rostfreien Edelstahl. Die Ionen können Stickstoff, Sauerstoff, Cäsium, Argon, Helium, Wasserstoff, Chrom, Eisen oder Aluminium umfassen. Die Ionen können auch weitere, bislang noch nicht aufgezählte Ionen umfassen.
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Ein oberflächenstrukturiertes Substrat umfasst einen im Inneren des Substrats liegenden Substratkern und eine durch das vorstehend beschriebene Verfahren durch einen Ionenstrahl strukturierte Oberfläche. In den Substratkern sind hierbei keine Ionen implantiert worden. Das Substrat kann Aluminium, Titan, Tantal, Silber, Kupfer oder rostfreien Edelstahl umfassen. Die Oberfläche weist eine durch die Ionenimplantation erzeugte Strukturierung auf, die die Tropfenkondensation begünstigt.
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Das oberflächenstrukturierte Substrat kann eine Nanostruktur mit einer Periodizität von unter 1 μm auf der durch den Ionenstrahl strukturierten Oberfläche aufweisen. Eine derartige Oberfläche weist den Vorteil auf, Kondensationskerne in einer passenden Größenordnung für die Tropfenkondensation zur Verfügung zu stellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche eine Höhe von zwischen 10 nm bis 100 nm, vorzugsweise 20 nm bis 50 nm, aufweisen. Diese Höhenwerte erlauben in vorteilhafter Weise die Kondensation von Tropfen, ohne die Filmbildung zu unterstützen.
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Das oberflächenstrukturierte Substrat, welches nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, wird vorzugsweise in einer Kühlvorrichtung, einem Wärmetauscher, einer chemischen Produktionsanlage oder einer Entsalzungsvorrichtung verwendet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 bis 4 dargestellt und werden nachfolgend anhand dieser Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine seitliche Ansicht eines auf eine Oberfläche treffenden Ionenstrahls nach dem Stand der Technik;
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2 eine seitliche Ansicht eines unter einem gegenüber einer Oberflächennormalen geneigten Winkel auf eine Oberfläche auftreffenden Ionenstrahls;
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3 eine vergrößerte Ansicht der durch den unter dem gegenüber der Oberflächennormalen geneigten Winkel auf die Oberfläche auftreffenden Ionenstrahl ausgebildeten Struktur und
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4 eine Winkelabhängigkeit einer Abtragungsrate.
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In 1 ist in einer seitlichen Ansicht ein auf eine Oberfläche 1 eines Substrats 2 auftreffender Ionenstrahl 3 dargestellt. Durch den Ionenstrahl 3 werden Ionen in die ursprünglich glatte Oberfläche 1 implantiert und verbleiben darin. 1 stellt eine derartige Ionenimplantation entsprechend dem Stand der Technik dar, d. h. der Ionenstrahl 3 trifft unter einem gegenüber einer Oberflächennormalen 4 relativ gering geneigten Winkel α = 10° auf die Oberfläche 1. Der Ionenstrahl 3 wird hierbei in einer Ionenquelle erzeugt, beispielsweise einem Plasmatron oder einer Sputter-Ionenquelle, und anschließend durch elektrische und magnetische Felder zwecks Masseseparation und Ablenkung geleitet. Schließlich wird der Ionenstrahl 3 auf das Substrat 2 gerichtet. Der Ionenstrahl dient einer Modifikation von Materialeigenschaften des Substrats und wird unter einem gegenüber der Oberflächennormalen 4 nur gering geneigten Winkel aufgebracht, um Abschattungseffekte zu vermeiden und eine Anzahl der implantierten Ionen pro Flächeneinheit nicht zu verkleinern.
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2 stellt in einer 1 entsprechenden Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in der folgenden Figur mit identischen Bezugszeichen versehen. Auf die Oberfläche 1 des Substrats 2, welches aus rostfreiem Edelstahl besteht, wird der Ionenstrahl 3 aus einfach positiv geladenen Stickstoff-Ionen mit einer Dosis von 2·1015 cm–2 und einer Energie von 20 keV gerichtet, um eine gezielte Einstellung einer Tropfenkondensation auf der Oberfläche 1 des Substrats 2 durch eine aus der Ionenimplantation resultierende Strukturierung der Oberfläche 1 zu erzielen. Der Ionenstrahl 3 wird im Gegensatz zu dem in 1 veranschaulichten Stand der Technik unter einem Winkel β = 45° gegenüber der Oberflächennormalen 4 auf die Oberfläche 1 gerichtet.
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Durch die implantierten Ionen wird die Oberfläche 1 durch eine Ionenzerstäubung derart aufgeraut, dass sich während einer nach der Strukturierung der Oberfläche 1 erfolgenden Tropfenkondensation Tropfen einer Flüssigkeit auf der Strukturierung der Oberfläche 1 absetzen. Abschattungseffekte spielen hierbei nur eine untergeordnete Rolle, da hauptsächlich eine gezielte Aufrauhung der Oberfläche 1 erreicht werden soll. Die Aufrauhung umfasst das Ausbilden einer selbstjustierenden Nanostruktur, die in 3 vergrößert dargestellt ist. Der gegenüber dem in 1 dargestellten Winkel α deutlich größere Winkel β führt zu einer Erhöhung der Abtragsgeschwindigkeit durch die Ionenzerstäubung. Hierdurch kann mit der genannten, relativ geringen Dosis bereits die Strukturierung durchgeführt werden. Zusätzlich erfolgt eine schnellere und stärkere Strukturierung der Oberfläche 1, sodass auch die Tropfenkondensation eher stimuliert wird und schneller erfolgt.
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Nachdem der Ionenstrahl 3 auf einen Teil der Oberfläche 1 gerichtet wurde und somit auf diesem Teil die Oberfläche 1 für die Tropfenkondensation entsprechend strukturiert wurde, während ein Rest der Oberfläche 1 unbehandelt belassen wird, wird durch ein Verkippen des Substrats 2 ein weiterer Ionenstrahl 3', welcher die gleiche Dosis und Energie wie der zuerst verwendete Ionenstrahl 3 aufweist, unter einem gegenüber der Oberflächennormalen 4 vergrößerten Winkel β' = 60° auf die Oberfläche 1 gerichtet und über den von dem ersten Ionenstrahl 3 bereits strukturierten Teil der Oberfläche 1 gefahren. Hierdurch wird die bereits aufgeraute Struktur weiter aufgeraut, sodass insgesamt eine sehr stark strukturierte Oberfläche 1 erzeugt wird. Selbstverständlich können auch noch weitere Ionenstrahlen mit unterschiedlichen Dosen bzw. Energien und bzw. oder unter weiteren Winkeln auf die Oberfläche 1 gerichtet werden. Bei dem weiteren Ionenstrahl 3' ist eine Abtragungsrate als Abtragsgeschwindigkeit gegenüber einem unter dem Winkel β auf die Oberfläche 1 gerichteten Ionenstrahl 3 erhöht, sodass bei ansonsten identischen Parametern eine stärkere Aufrauhung erzielt wird. Es können jedoch auch die Energie oder die Dosis der Ionen entsprechend verringert werden, sodass bei einer gleichen Zeitdauer der Implantation eine gleich starke Aufrauhung der Oberfläche 1 bei geringerem Zeitaufwand erfolgt.
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3 stellt in einer seitlichen Ansicht vergrößert die selbstjustierende Nanostruktur auf der Oberfläche 1 dar, die sich durch die Implantation der Ionen ausgebildet hat. Die Stickstoff-Ionen sind hierbei nur in die Oberfläche 1 eingedrungen haben einen Substratkern des Substrats 2 nicht erreicht, da dieser im Inneren des Substrats 2 liegt und die Ionen nach einem Eindringen in die Oberfläche 1 ihre kinetische Energie auf einem Weg zum Substratkern bereits abgegeben haben. Durch die auftreffenden Ionen und einen daraus resultierenden Energieübertrag werden Teile der Oberfläche 1 abgetragen, sodass sich in gleichmäßiger Verteilung Erhebungen 5 und Gräben 6 ausbilden, die sich bedingt durch den Energieeintrag in die Oberfläche 1 selbstjustierend anordnen. Die derart ausgebildete Oberflächenstruktur weist eine Periodizität von weniger als 1 μm auf, d. h. in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt ein Abstand zwischen zwei Erhebungen 5 im Mittel 900 nm. Die Höhe der Erhebungen 5 gegenüber den Gräben 6 beträgt zwischen 20 nm und 90 nm, im Mittel 40 nm.
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Die in 3 dargestellte Oberfläche 1 des Substrats 2 wird in einer Entsalzungsvorrichtung verwendet, um salzhaltiges Wasser zu kondensieren. Die Tropfenkondensation erfolgt hierbei dadurch, dass die Temperatur der Oberfläche 1 unterhalb einer Sattdampftemperatur eines Wasserdampfes liegt. Hierdurch setzen sich, wie in 3a) gezeigt, zunächst auf den Erhebungen 5 kleinere Tropfen 7 ab. Die Erhebungen 5 wirken somit als Kondensationskerne und stimulieren die Tropfenkondensation. Statt den Erhebungen 5 können die Tropfen 7 auch in den Gräben 6 abgeschieden werden. Sofern wie im in 3a) dargestellten Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen zwei Erhebungen 5 bzw. zwei Gräben 6 ausreichend klein und ein Kontaktwinkel γ groß genug ist, können die Tropfen 7 durch Einfangen weiterer Dampfpartikel wachsen, was durch die Umrisse 7' und 7'' angedeutet ist, bis sich zwei benachbarte Tropfen 7 schließlich berühren. Der Kontaktwinkel umfasst den Winkel zwischen einer Oberfläche einer der Erhebungen 5 und einem der Tropfen 7, welcher auf dieser Erhebung 5 sitzt.
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In 3b) ist dargestellt, wie zwei der Tropfen 7 sich miteinander zu einem auf zwei der Erhebungen 5 sitzenden Tropfen 8 vereinigen, der nun ebenfalls weiter wachsen kann. Hierbei hat die Dreiphasenlinie einen Boden des zwischen den beiden Erhebungen 5 sitzenden Grabens 6 noch nicht erreicht. Die Dreiphasenlinie umfasst hierbei diejenigen Punkte, an denen Festkörper, Flüssigkeit und Dampfphase zusammenstoßen.
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4 stellt schematisch ein Beispiel einer Abtragungsrate in Abhängigkeit vom Einfallswinkel dar. Auf der Abszisse ist hierzu der Einfallswinkel gegenüber der Oberflächennormalen 4 in Grad wiedergegebenen, auf der Ordinate die Abtragungsrate (im Englischen ”sputtering yield”) in beliebigen Einheiten. Die verwendeten Ionen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel einfach geladene Argonionen mit einer Energie von 1,05 keV, die auf eine Titanoberfläche treffen. Durch eine derart niedrige Energie der Ionen können tendenziell kleinere Strukturen im Nanometerbereich erzeugt werden. Die Abtragungsrate, die angibt, wie schnell diese Oberfläche strukturiert wird, wächst mit steigendem Einfallswinkel und erreicht für die genannte Kombination von Argonionen und Titanoberfläche kurz vor einem Einfallswinkel von 60° ihr Maximum, d. h. bei diesem Winkel ist die Ionenzerstäubung und daraus resultierende Strukturierung der Titan-Oberfläche maximal. Bei der Ionenimplantation unter einem Einfallswinkel von 0° kann auf der entsprechend modifizierten Oberfläche keine Tropfenkondensation erreicht werden, bei einer unter einem Winkel von 60° behandelten Oberfläche erfolgt schließlich die Tropfenkondensation.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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