DE102014108141A1 - Verfahren und Prozessieranordnung zum Bearbeiten eines Metallsubstrats - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Metallsubstrats, wobei das Verfahren Folgendes aufweisen kann: das Aufbringen einer Schicht auf das Metallsubstrat, wobei die Schicht sp2 hybridisierten Kohlenstoff und/oder sp3 hybridisierten Kohlenstoff aufweisen kann; und das gepulste Bestrahlen der Schicht, so dass die Schicht erwärmt werden kann und die Schicht zumindest teilweise strukturell verändert werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeiten eines Metallsubstrats.
  • Das Verwenden von metallischen Werkstoffen oder allgemein Metallsubstraten aus metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise auf Eisen basierende Legierungen (z. B. Stahl), in korrosiven Umgebungen, wie z. B. in einer reinen Sauerstoff-Atmosphäre, kann eine Behandlung der Oberfläche des Metallsubstrats erfordern um einen Schutz gegen Korrosion bereitzustellen. Im Allgemeinen kann dazu auf der Oberfläche des Metallsubstrats eine inerte (reaktionsträge) Schutzschicht bereitgestellt werden, die eine Korrosion des darunter liegenden metallischen Werkstoffs verlangsamt. Beispielsweise kann ein Metallsubstrat eine geeignete Zusammensetzung aufweisen (z. B. indem dem metallischen Werkstoff Chrom beigemischt wird), so dass auf der Oberfläche des Metallsubstrats eine stabile Reaktionsschicht (z. B. eine Oxidschicht wie Chromoxid) ausgebildet werden kann, wobei die stabile Reaktionsschicht eine weitere Korrosion (z. B. Oxidation) des Metallsubstrats verhindern oder zumindest verlangsamen kann. Gleichzeitig kann die bereitgestellte Schutzschicht allerdings die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche eines Metallsubstrats verringern und so ein elektrisches Kontaktieren des Metallsubstrats erschweren.
  • Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden ein Verfahren zum Bearbeiten eines Metallsubstrats bereitzustellen, wobei mittels des Verfahrens zum Bearbeiten des Metallsubstrats eine Schicht, z. B. eine korrosionsfeste und elektrisch leitfähige Schicht (z. B. eine Schutzschicht und/oder eine Kontaktschicht) auf das Metallsubstrat aufgebracht werden kann. Ferner kann es gemäß verschiedenen Ausführungsformen von Vorteil sein vor dem Aufbringen der Schicht eine vorhandene Reaktionsschicht (z. B. eine Oxidschicht) von der Oberfläche des Metallsubstrats abzutragen um ferner die Haftung (das Haftvermögen) und den elektrischen Kontakt der Schicht zum Metallsubstrat zu erhöhen.
  • Anschaulich wurde beispielsweise erkannt, dass auf Kohlenstoff basierende Materialien, wie beispielsweise Graphit, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit in korrosiven Umgebungen, aufweisen können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können verschiedene Abscheidungsverfahren genutzt werden um eine Schicht, die Kohlenstoff in verschiedenen Konfigurationen aufweist, wie sp2 hybridisierten Kohlenstoff und/oder sp3 hybridisierten Kohlenstoff, auf ein Metallsubstrat aufzubringen.
  • Verschiede Ausführungsformen basieren ferner auf der Erkenntnis, dass die Leitfähigkeit von Materialien, die Kohlenstoff in verschiedenen Konfigurationen aufweisen können, höher sein kann, je höher der Anteil des sp2 hybridisierten Kohlenstoffs darin ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels Bestrahlens (beispielsweise mittels Teilchenstrahlung, wie z. B. Elektronen, und/oder mittels Photonen, z. B. als Wärmestrahlung und/oder als Licht) der Schicht, die Kohlenstoff in verschiedenen Konfigurationen aufweist, der Anteil des sp2 hybridisierten Kohlenstoffs in der Schicht und damit die Leitfähigkeit der Schicht erhöht werden, was ein elektrisches Kontaktieren des Metallsubstrats erleichtern kann.
  • Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, dass das Bestrahlen der Schicht kurzzeitig erfolgt, wobei eine mittlere Temperatur des beim Bestrahlen ebenfalls erwärmten Metallsubstrats unterhalb eines (z. B. vorgegebenen) Maximalwerts verbleibt, so dass ein thermischer Verzug des Metallsubstrats vermieden oder zumindest reduziert werden kann. Mit anderen Worten kann das Bestrahlen gepulst erfolgen und/oder das Bestrahlen kann selektiv (z. B. lokal) in einem Teilbereich einer Schicht erfolgen (z. B. kann Strahlung selektiv in der funktionellen Schicht/Schichtsystem deponiert werden) so dass das Metallsubstrat nur geringfügig erwärmt wird und seine Form behält.
  • Ferner kann ein anderer Aspekt verschiedener Ausführungsformen anschaulich darin gesehen werden eine Pufferschicht bereitzustellen, die zwischen dem Metallsubstrat und der Schicht angeordnet werden kann, wobei das Haftvermögen der Schicht zum Metallsubstrat mittels der Pufferschicht erhöht werden kann. Mit anderen Worten kann die Pufferschicht als Haftvermittler wirken.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Bearbeiten eines Metallsubstrats Folgendes aufweisen: Das Aufbringen einer Schicht auf das Metallsubstrat, wobei die Schicht sp2 hybridisierten Kohlenstoff und/oder sp3 hybridisierten Kohlenstoff aufweisen kann; und das gepulste Bestrahlen der Schicht, so dass die Schicht erwärmt werden kann und die Schicht zumindest teilweise strukturell und/oder zumindest teilweise chemisch verändert werden kann. Anschaulich kann mittels Bestrahlens der Schicht die chemische Bindung und/oder die Bindungsstruktur des Kohlenstoffs modifiziert werden. Ferner kann mittels Bestrahlens der Schicht die Leitfähigkeit und/oder die Korrosionseigenschaft (z. B. die Korrosionsbeständigkeit) der Schicht erhöht werden.
  • Das gepulste Bestrahlen der Schicht kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen derart erfolgen, dass die Schicht zumindest teilweise (z. B. ein Bereich der Schicht) für eine Dauer von weniger als 1 s auf mehr als 400°C, z. B. um mehr als 200 K, z. B. um mehr als 400 K oder z. B. um mehr als 600 K, erwärmt werden kann. Mit anderen Worten kann die Leistung des gepulsten Bestrahlens ausreichen, um die Schicht mit einer Heizgeschwindigkeit (Heizrate) von mehr als 500 K/s zu erwärmen, z. B. mehr als 5000 K/s oder z. B. mehr als 5·104 K/s. Ferner kann die beim gepulsten Bestrahlen in die Schicht eingetragene thermische Energie in das Metallsubstrat abgeleitet werden, so dass die Schicht (z. B. der erwärmte oder bestrahlte Bereich der Schicht) nach dem gepulsten Bestrahlen innerhalb von 1 s wieder auf unter 400°C, z. B. um mehr als 200 K, z. B. um mehr als 400 K oder z. B. um mehr als 600 K, abkühlen kann. Mit anderen Worten kann die Schicht mit einer Kühlrate (Abkühlrate) von mehr als 500 K/s, z. B. mehr als 5000 K/s oder z. B. mehr als 5·104 K/s abgekühlt werden.
  • Das gepulste Bestrahlen kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen ferner unter Verwendung einer Lichtquelle, z. B. unter Verwendung eines Laser, einer Lampe oder einer Blitzlampe (beispielsweise einer Gasentladungslampe oder einer Leuchtdiode) oder unter Verwendung mehrerer Lichtquellen erfolgen und die Schicht gepulst belichtet (mittels Licht bestrahlt) werden. Beispielsweise können mehrere Bereiche der Schicht gleichzeitig (z. B. mittels einer oder mehrerer Blitzlampen) oder nacheinander belichtet werden (beispielsweise mittels eines gepulsten oder kontinuierlich betriebenen Lasers).
  • Ferner kann die Wellenlänge, die Energieverteilung oder die spektrale Zusammensetzung (z. B. das Energiespektrum) der zum gepulsten Bestrahlen der Schicht erzeugten Strahlung derart eingerichtet sein, dass die Strahlung von der Schicht zumindest teilweise absorbiert werden kann. Beispielsweise kann die Schicht mittels weißen Lichts oder alternativ monochromatischen Lichts (z. B. Laserlicht oder Blitzlicht) bestrahlt werden.
  • Ferner kann das gepulste Bestrahlen gemäß verschiedenen Ausführungsformen unter Verwendung einer kontinuierlich betriebenen Bestrahlungsquelle, beispielsweise eines Elektronenstrahls oder eines kontinuierlich betriebenen Lasers erfolgen. Ferner kann aus der mittels der kontinuierlich betriebenen Bestrahlungsquelle emittierten Strahlung das gepulste Bestrahlen gebildet werden.
  • Dabei kann die mittels der kontinuierlich betriebenen Bestrahlungsquelle emittierte Strahlung (z. B. mittels Blenden, Spiegel, Reflektoren, Deflektoren und/oder elektrischer/magnetischer Felder) derart auf die Schicht geleitet werden, dass ein Bereich oder mehrere Bereiche der Schicht jeweils kurzeitig bestrahlt (gepulst bestrahlt) werden können. Anschaulich kann beispielsweise die von der kontinuierlich betriebenen Bestrahlungsquelle emittierte Strahlung linienförmig (z. B. entlang eines Rasters) über die Schicht geführt werden oder die Schicht kann mittels einer Blende selektiv belichtet werden bzw. können die mehreren Bereiche der Schicht nacheinander belichten werden.
  • Ferner kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen das gepulste Bestrahlen mit einer Pulsdauer (Dauer eines Bestrahlungspulses) von jeweils bis zu 10 ms erfolgen. Mit anderen Worten kann bei dem gepulsten Bestrahlen eine Pulsdauer von maximal 10 ms eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Pulsdauer beim gepulsten Bestrahlen kürzer sein als 1 ms, z. B. kürzer als 0,1 ms oder beispielsweise kürzer als 100 μs. Alternativ kann die Pulsdauer beim gepulsten Bestrahlen eine Dauer in einem Bereich von ungefähr 10 μs bis ungefähr 10 ms aufweisen, z. B. in einem Bereich von ungefähr 100 μs bis ungefähr 1 ms.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Metallsubstrat eine Metallfolie oder ein Metallblech mit einer Dicke geringer als 2 mm (mit einer Dicke von maximal 2 mm) sein, z. B. mit eine Dicke geringer als 1 mm oder einer Dicke geringer als 0,5 mm. Beispielsweise kann das Metallsubstrat ein Metallblech sein, welches eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 500 μm bis ungefähr 2 mm aufweisen kann. Alternativ kann das Metallsubstrat eine Metallfolie sein, welche eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 50 μm bis ungefähr 500 μm aufweisen kann. Ferner kann das Metallsubstrat eine thermische Leitfähigkeit größer als 10 W/(m·K) aufweisen, z. B. größer als 50 W/(m·K) und ein Metall, z. B. Eisen, Titan, Nickel, Kupfer, Niob, Silber, Gold oder Chrom aufweisen.
  • Ferner kann das Metallsubstrat gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein gekrümmtes, gewelltes und/oder gewinkeltes Profil (z. B. Querschnitt) aufweisen, beispielsweise kann das Metallsubstrat ein Wellblech, eine Wellfolie, ein geprägtes Blech oder eine geprägte Folie, ein Trapezblech oder eine Trapezfolie sein. Dabei kann das Metallsubstrat eine Prägungshöhe (z. B. eine Profiltiefe oder Tiefe von Profilsenken) von ungefähr 1 mm aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0,1 mm bis 2 mm und eine Prägungsbreite (Abstand der Profilsenken) von ungefähr 1 mm aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0,1 mm bis 2 mm. Ferner kann das Metallsubstrat eine gekrümmte oder gewinkelte Oberfläche, z. B. eine periodisch geprägte Oberfläche oder aperiodisch geprägte Oberfläche aufweisen auf welche die Schicht aufgebracht werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das gepulste Bestrahlen der Schicht derart erfolgen, dass eine mittlere Temperatur des Metallsubstrats während des gesamten Bestrahlens unterhalb eines Maximalwerts, z. B. unterhalb eines vorgegebenen Maximalwerts, verbleibt, so dass das Metallsubstrat in dessen Form (z. B. das Profil oder der Querschnitt) im Wesentlichen unverändert bleibt. Die mittlere Temperatur kann sowohl eine zeitlich gemittelte (z. B. eine über die Zeit zwischen zwei Bestrahlungspulsen gemittelte) Temperatur oder auch eine räumlich gemittelte (z. B. eine über das Volumen des Metallsubstrats gemittelte) Temperatur sein.
  • Eine im Wesentlichen unveränderte Form kann beispielsweise das (beim Bearbeiten des Metallsubstrats) Entstehen einer Krümmung des Metallsubstrats mit einem Krümmungsradius von mehr als 10 m, z. B. von mehr als 50 m oder eine relative Änderung der Prägungshöhe (oder Prägungsbreite) von weniger als 10%, z. B. von weniger als 1% aufweisen. Ferner kann eine im Wesentlichen unveränderte Form den Beschichtungsbereich der Beschichtungsanlage zum Beschichten des Metallsubstrats passieren oder ungehindert durch den Beschichtungsbereich der Beschichtungsanlage hindurch transportiert werden, anschaulich z. B. ohne mit einer Transportrolle zum Transportieren des Metallsubstrats durch den Beschichtungsbereich der Beschichtungsanlage hindurch oder einem anderen Teil der Beschichtungsanlage zu kollidieren.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Schicht mit einer Dicke (Schichtdicke) von mindestens 10 nm auf das Metallsubstrat aufgebracht werden, z. B. mit einer Dicke von mindestens 100 nm oder einer mit einer Dicke von mindestens 1 μm. Alternativ kann die Schicht mit einer Dicke in einem Bereich von ungefähr 20 nm bis ungefähr 500 nm aufgebracht werden, z. B. in einem Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 200 nm. Das Aufbringen der Schicht auf dem Metallsubstrat kann eine gemeinsame Kontaktfläche zwischen dem Metallsubstrat und der Schicht definieren.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Schicht Kohlenstoff aufweisen, z. B. kann die Schicht einen Kohlenstoffanteil von mehr als ungefähr 30 at-% (Atomprozent, entspricht dem molaren Anteil), z. B. von mehr als ungefähr 50 at-%, z. B. von mehr als ungefähr 70 at-%, z. B. von mehr als ungefähr 90 at-% aufweisen. Alternativ kann die Schicht einen Kohlenstoffanteil in einem Bereich von ungefähr 30 at-% bis ungefähr 90 at-% aufweisen. Der mittlere Kohlenstoffanteil der Schicht kann dabei ein räumlich gemittelter Kohlenstoffanteil sein.
  • Ferner kann das Aufbringen derart erfolgen, dass die Schicht einen Gradienten im Anteil des Kohlenstoffs (im Kohlenstoffanteil) aufweisen kann. Beispielsweise kann der Gradient des Kohlenstoffanteils eine relative Abweichung des Kohlenstoffanteils vom mittleren Kohlenstoffanteil der Schicht von mehr als 10%, z. B. von mehr als 30% oder von 50% aufweisen. Ferner kann das Aufbringen derart erfolgen, dass der Kohlenstoffanteils der Schicht an der gemeinsamen Kontaktfläche zwischen Schicht und Metallsubstrat am kleinsten ist und entlang einer Richtung senkrecht zu der gemeinsamen Kontaktfläche zwischen Schicht und Metallsubstrat (z. B. monoton) zunehmen kann.
  • Ein Gradient im Anteil eines Bestandteils (z. B. Kohlenstoff, Stickstoff oder Metall) der Schicht kann ein Gradient in der Zusammensetzung der Schicht, in der Konzentration des Bestandteils in der Schicht, in der Dichte der Schicht oder ein Stoffgradient entlang einer Richtung sein. Mit anderen Worten kann die Schicht beispielsweise als Gradientenschicht eingerichtet sein. Beispielsweise kann der Gradient entlang einer Richtung senkrecht zu der gemeinsamen Kontaktfläche zwischen Schicht und Metallsubstrat am größten sein, z. B. entlang einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Schicht oder senkrecht zur Dickenrichtung der Schicht.
  • Ferner kann die Schicht gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein Metall (z. B. Titan, Nickel, Kupfer, Niob, Silber, Gold oder Chrom) aufweisen, um beispielsweise die beim Beschichten (Aufbringen der Schicht) von Metallsubstraten entstehenden Spannungen in der Schicht (z. B. an der gemeinsamen Kontaktfläche zwischen der Schicht und dem Metallsubstrat) zu reduzieren. Anschaulich kann die Schicht beispielsweise als entsprechendes Kohlenstoff-Metall-Gemisch aufgebracht werden.
  • Ferner kann die Schicht (z. B. eine mit Metall versetzte Schicht) einen Gradienten im Anteil des Metalls (z. B. senkrecht zu der gemeinsamen Kontaktfläche zwischen Schicht und Metallsubstrat) aufweisen, wobei die Spannung in der Schicht entlang des Gradienten im Anteil des Metalls stetig abgebaut werden kann. Anschaulich kann der Anteil des Metalls in der Schicht an der gemeinsamen Kontaktfläche zwischen Schicht und Metallsubstrat am größten sein, wobei das Haftvermögen der Schicht zum Metallsubstrat erhöht sein kann (z. B. im Vergleich zu einer ohne Metall direkt auf das Metallsubstrat abgeschiedenen Schicht).
  • Als Haftvermögen der Schicht zum Metallsubstrat kann die Eigenschaft der Schicht gesehen werden einer Dehnung oder Verformung des Metallsubstrats (z. B. aufgrund von thermischer Ausdehnung oder Umformung) zu folgen ohne sich von dem Metallsubstrat abzulösen.
  • Ferner kann die Schicht eine Pufferschicht aufweisen (die ein Metall, z. B. Titan, Nickel, Kupfer, Niob, Silber, Gold oder Chrom, ein Metallnitrid, z. B. Titannitrid (TiN), und/oder ein Metallcarbid, z. B. Titancarbit (TiC), aufweisen kann), wobei die Pufferschicht als Haftvermittler der Schicht zum Metallsubstrat eingerichtet sein kann. Beispielsweise kann eine Pufferschicht zum Haftvermitteln als Gradientenschicht eingerichtet sein. Anschaulich kann die die Pufferschicht in direktem Kontakt zum Metallsubstrat (zwischen dem Metallsubstrat und der Schicht) angeordnet sein.
  • Ferner kann das Aufbringen der Schicht mehrlagig (in mehreren Lagen mit einer jeweiligen Lagendicke und einer jeweiligen chemischen Zusammensetzung der einzelnen Lagen) erfolgen, indem mindestens eine Metallschicht (Metall-Lage) und mindestens eine Kohlenstoffschicht (Kohlenstoff-Lage) auf das Metallsubstrat abgeschieden werden. Anschaulich kann beispielsweise mittels des Verhältnisses der Dicke der Metallschicht zur Dicke der Kohlenstoffschicht ein vorgegebener Kohlenstoffanteil eingestellt werden.
  • Eine Metallschicht kann beispielsweise zu mehr als 50 at-% aus Metall bestehen, z. B. zu mehr als 70 at-% aus Metall, oder z. B. zu mehr als 90 at-% aus Metall. Eine Kohlenstoffschicht kann beispielsweise zu mehr als 50 at-% aus Kohlenstoff bestehen, z. B. zu mehr als 70 at-% aus Kohlenstoff, oder z. B. zu mehr als 90 at-% aus Kohlenstoff.
  • Ferner kann ein Gradient im Anteil des Metalls in der Schicht erzeugt werden indem beispielsweise die Schicht zweilagig (aus aufeinander angeordneten Schichten bestehend) aufgebracht wird, wobei eine Schicht eine Metallschicht und eine Schicht eine Kohlenstoffschicht sein kann, die beide eine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen können. Ferner kann ein Bereich zwischen der Kohlenstoffschicht und der Metallschicht (z. B. die gemeinsame Kontaktfläche) eine Vermischung von Kohlenstoff und dem Metall aufweisen, so dass ein stetiger Übergang in der chemischen Zusammensetzung von Kohlenstoff zu Metall erfolgen kann.
  • Ferner kann ein Gradient im Anteil des Metalls erzeugt werden indem beispielsweise ein Kohlenstoff-Metall-Gemisch aufgebracht wird, das sich bei Erhitzung und Abkühlung der Schicht zumindest teilweise entmischen kann. Alternativ kann beim Aufbringen der Schicht ein zeitlich veränderliches Kohlenstoff-Metall-Gemisch verwendet werden, so dass die aufeinander abgeschiedenen Lagen eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen können.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das gepulste Bestrahlen der Schicht derart erfolgen, dass der Anteil an sp2 und/oder sp3 hybridisiertem Kohlenstoff in der Schicht verändert werden kann. Beispielsweise kann mittels des gepulsten Bestrahlens der Schicht der Anteil an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff in der Schicht erhöht werden. Ferner kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen das gepulste Bestrahlen der Schicht derart erfolgt, dass die Leitfähigkeit der Schicht erhöht werden kann, z. B. mittels Erhöhens des Anteils an sp2 hybridisiertem Kohlenstoff in der Schicht. Ferner kann die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Schicht größer sein als 104 S/m, z. B. größer als 105 S/m.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Metallsubstrat beidseitig bearbeitet werden. Anschaulich kann ein (z. B. planares oder geprägtes) Metallblech oder eine Metallfolie beidseitig beschichtet werden, wobei auf beiden Seiten ein gepulstes Bestrahlen erfolgen kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Bearbeiten eines Metallsubstrats ferner das Abscheiden mindestens einer Metallschicht auf das Metallsubstrat aufweisen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Bearbeiten einer Metallschicht Folgendes aufweisen: das Aufbringen einer Schicht, die Kohlenstoff aufweist, auf die Metallschicht; und das Erzeugen von Energieimpulsen (z. B. Teilchen oder Photonen) zum Bestrahlen der Schicht, so dass der Kohlenstoff zumindest teilweise strukturell verändert werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht derart erfolgen, dass die Schicht für weniger als 1 s auf mehr als 400°C erwärmt werden kann. Beispielsweise können die Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht mit einer spektralen Verteilung und Leistung derart erzeugt werden, dass die Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht von der Schicht zumindest teilweise absorbiert werden können.
  • Ferner kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen das Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht unter Verwendung einer Lichtquelle (z. B. eines Laser, einer Lampe, einer Blitzlampe oder einer Leuchtdiode) oder mehrerer Lichtquellen erfolgen, wobei die Schicht mittels der Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht gepulst belichtet werden kann.
  • Ferner kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen das Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht unter Verwendung einer kontinuierlich betriebenen Bestrahlungsquelle erfolgen, wobei die mittels der kontinuierlich betriebenen Bestrahlungsquelle emittierten Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht (z. B. mittels Spiegel, Linsen, Deflektoren und/oder elektrischer/magnetischer Felder) derart auf die Schicht geleitet werden können, dass ein Bereich der Schicht jeweils kurzeitig bestrahlt werden kann.
  • Ferner kann das Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht mit einer Pulsdauer von jeweils bis zu 10 ms erfolgen. Beispielsweise kann die Pulsdauer der Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht kürzer sein als 1 ms, z. B. kürzer als 0,1 ms oder kürzer als 100 μs. Alternativ können die Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht eine Dauer (Impulsdauer) in einem Bereich von ungefähr 10 μs bis ungefähr 10 ms aufweisen, z. B. in einem Bereich von ungefähr 100 μs bis ungefähr 1 ms.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ferner das Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht derart erfolgen, dass eine mittlere Temperatur der Metallschicht während des gesamten Bestrahlens unterhalb eines (vorgegebenen) Maximalwerts verbleibt, so dass die Form der Metallschicht (z. B. das Profil der Metallschicht) im Wesentlichen unverändert bleibt. Anschaulich können die Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht in zeitlichen Abständen zueinander erzeugt werden, so dass das beim Bestrahlen erwärmte Metallsubstrat ausreichend abkühlen kann bevor eine erneute Bestrahlung erfolgt.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Erzeugen der Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht mit einer Wiederholrate von mehr als 0,1 Hz, z. B. mit mehr als 1 Hz erfolgen. Beispielsweise kann das Erzeugen der Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht mit einer Wiederholrate in einem Bereich zwischen ungefähr 10 Hz und ungefähr 0,1 Hz erfolgen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Metallschicht beidseitig bearbeitet werden. Ferner kann das Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht derart erfolgen, dass die Leitfähigkeit der Schicht erhöht werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Aufbringen der Schicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung oder physikalischer Gasphasenabscheidung erfolgen, z. B. mittels Kathodenzerstäubung (das sogenannte Sputtern) oder mittels Elektronenstrahlverdampfens.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Prozessieranordnung zum Bearbeiten eines Metallsubstrats bereitgestellt. Die Prozessieranordnung kann aufweisen: eine Vakuumkammer zum Bereitstellen eines Vakuums, mindestens eine in der Vakuumkammer angeordnete Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf das Metallsubstrat, und mindestens eine in der Vakuumkammer angeordnete Bestrahlungsvorrichtung zum gepulsten Bestrahlen der kohlenstoffhaltigen Schicht, wobei die Bestrahlungsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass mittels der Bestrahlungsvorrichtung die kohlenstoffhaltige Schicht erwärmt werden kann.
  • Die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen.
  • Weiterhin kann die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung derart eingerichtet sein, dass die kohlenstoffhaltige Schicht in weniger als 1 s um mehr als 400°C erwärmt werden kann.
  • Ferner kann die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung mindestens eine kontinuierlich betriebene Bestrahlungsquelle aufweisen.
  • In einer Ausgestaltung kann die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung mindestens eine gepulst betriebene Bestrahlungsquelle aufweisen.
  • In noch einer Ausgestaltung kann die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung derart eingerichtet sein, dass die kohlenstoffhaltige Schicht zumindest teilweise mit einer Pulsdauer von maximal 10 ms gepulst bestrahlt werden kann.
  • Weiterhin kann die Prozessieranordnung ferner aufweisen mindestens eine in der Vakuumkammer angeordnete weitere Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen einer metallhaltigen Schicht auf das Metallsubstrat.
  • Die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung kann derart eingerichtet sein, dass beim Bestrahlen der Anteil an sp2 und/oder sp3 hybridisiertem Kohlenstoff in der kohlenstoffhaltigen Schicht verändert werden kann.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 und 2 jeweils schematisch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Metallsubstrats oder einer Metallschicht gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 3a und 3b ein Aufbringen einer Schicht gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 4a und 4b ein Bestrahlen der Schicht oder ein Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 5a und 5b das Bearbeiten einer Metallschicht oder eines Metallsubstrats gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 6a ein bearbeitetes Metallsubstrat oder eine bearbeitete Metallschicht gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 6b und 6c eine Anordnung von bearbeiteten Metallsubstraten oder bearbeiteten Metallschichten gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer Brennstoffzelle;
  • 7 eine schematische Darstellung einer spektroskopischen Analyse unterschiedlich bearbeiteter Metallsubstrate oder unterschiedlich bearbeiteter Metallschichten;
  • 8 eine Prozessieranordnung zum Bearbeiten eines Metallsubstrats gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa ”oben”, ”unten”, ”vorne”, ”hinten”, ”vorderes”, ”hinteres”, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe ”verbunden”, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • 1 veranschaulicht schematisch ein Verfahren 100 zum Bearbeiten eines Metallsubstrats gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Verfahren kann dabei in 110 das Aufbringen einer Schicht auf das Metallsubstrat aufweisen, wobei die Schicht sp2 hybridisierten Kohlenstoff und/oder sp3 hybridisierten Kohlenstoff aufweisen kann. Beispielsweise kann die Schicht gleichzeitig sp2 hybridisierten Kohlenstoff und sp3 hybridisierten Kohlenstoff aufweisen.
  • Ferner kann das Verhältnis von sp2 hybridisierten Kohlenstoff zu sp3 hybridisierten Kohlenstoff gemäß verschiedenen Ausführungsformen beim Aufbringen der Schicht zumindest teilweise beeinflusst werden. Beispielsweise können die Prozessparameter, wie beispielsweise Umgebungsdruck, Zusammensetzung der Prozessatmosphäre, Beschichtungsrate (Geschwindigkeit mit der beschichtet wird), Metallsubstrattemperatur oder Zusammensetzung des zu beschichtenden Materials geregelt oder gemäß einer Vorgabe eingestellt werden.
  • Ferner können die Prozessparameter zum Aufbringen der Schicht derart eingestellt werden, dass eine Schichtdicke (Dicke der Schicht) nach einer Vorgabe abgeschieden werden kann. Beispielsweise kann die Dicke der Schicht erhöht werden indem länger beschichtet oder mit einer höheren Beschichtungsrate beschichtet wird.
  • Ferner kann einer Verfahren 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in 120 das gepulste Bestrahlen der Schicht aufweisen, wobei das gepulste Bestrahlen der Schicht derart erfolgen kann, dass die Schicht erwärmt werden kann und die Schicht zumindest teilweise strukturell verändert werden kann. Die strukturelle Veränderung der Schicht kann beispielsweise eine Veränderung der chemischen Bindungsstruktur des Kohlenstoffs aufweisen. Beispielsweise kann mittels Bestrahlens der Anteil des sp2 hybridisierten Kohlenstoffs (oder der Anteil des sp3 hybridisierten Kohlenstoffs) erhöht werden.
  • Ferner kann mittels des Bestrahlens der Schicht ein Gradient des Kohlenstoffanteils eingestellt werden. Beispielsweise kann beim Bestrahlen einer Schicht, die mehrlagig aufgebracht wurde eine Vermischung der Bestandteile der mehreren Lagen der Schicht erfolgen, oder eine homogene Kohlenstoff-Metallschicht kann sich beim Bestrahlen zumindest teilweise entmischen, wobei sich auf der Oberfläche der Schicht Kohlenstoff, beispielsweise in Form von Graphit, abscheiden kann.
  • 2 veranschaulicht schematisch ein Verfahren 200 zum Bearbeiten einer Metallschicht gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Verfahren 200 kann in 210 das Aufbringen einer Schicht, die Kohlenstoff aufweist, auf die Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann beispielsweise eine Metallfolie, ein Metallsubstrat oder eine Metallschicht auf einem Träger (z. B. auf einem metallischen Substrat), z. B. eine metallische Pufferschicht sein.
  • Ferner kann das Verfahren 200 in 220 das Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht aufweisen, wobei die Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht derart erzeugt werden können, dass der Kohlenstoff zumindest teilweise strukturell verändert werden kann. Die Energieimpulse zum Bestrahlen der Schicht können beispielsweise derart erzeugt werden (z. B. monochromatisch), dass sie von der Schicht zumindest teilweise absorbiert werden können.
  • 3a veranschaulicht das Aufbringen 300 einer Schicht 304, die Kohlenstoff aufweisen kann, auf ein Metallsubstrat 302 (oder eine Metallschicht 302) gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Aufbringen 300 der Schicht 304 kann beispielsweise mittels Abscheidens 306b eines Materials unter Verwendung mindestens einer Beschichtungsanordnung 306 erfolgen, wobei die mindestens eine Beschichtungsanordnung 306 eine Beschichtungsquelle 306 oder mehrere Beschichtungsquellen 306 aufweisen kann. Ferner kann das Abscheiden 306b der Schicht 304 in einem Vakuum oder einem Unterdruck mit einer geregelten Gaszusammensetzung oder geregelten Zusammensetzung der Atmosphäre (Prozessatmosphäre) erfolgen.
  • Beispielsweise kann die Prozessatmosphäre in der die Schicht 304 abgeschieden wird ein inertes (reaktionsträges) Gas oder ein reduzierendes Gas zum Aufnehmen von Sauerstoff (und damit zum Schützen der Schicht vor einer Oxidation) aufweisen, oder beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff, Formgas oder Hydrazin aufweisen. Beispielsweise kann das Abscheiden 306b der Schicht 304 mittels Kathodenzerstäubung 306b, Elektronenstrahlverdampfen 306b oder chemischer Gasphasenabscheidung 306b erfolgen.
  • Ferner kann das Abscheiden 306b der Schicht 304 räumlich gleichmäßig (z. B. homogen) auf der Oberfläche des Metallsubstrats 302 erfolgen. Anschaulich kann die Schicht 304 mit einer räumlich gleichmäßigen Beschichtungsrate oder mit einer räumlich gleichmäßigen Materialzusammensetzung abgeschieden werden. Alternativ kann das Abscheiden 306b der Schicht 304 gemäß verschiedenen Ausführungsformen inhomogen (ungleichmäßig) erfolgen. Beispielsweise können nur bestimmte Bereiche des Metallsubstrats 302 beschichtet werden, oder die Schicht kann mit einer räumlich ungleichmäßigen chemischen Zusammensetzung abgeschieden werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Kohlenstoffanteil der abgeschiedenen 306b Schicht 304 nach einer Vorgabe eingestellt werden. Beispielsweise kann die Schicht 304 aufgetragen werden indem Material von einem Target (Materialquelle) der Beschichtungsquelle 306, wobei das Target eine Zusammensetzung gemäß der Vorgabe aufweisen kann, auf das Metallsubstrat 302 übertragen (transportiert) wird. Beispielsweise kann eine Schicht 304 mittels Kathodenzerstäubung oder Elektronenstrahlverdampfens eines Targets 306 (das zu zerstäubende oder verdampfende Material) oder mehrerer Targets 306 abgeschieden werden. Dabei kann das jeweilige Material des Targets 306 oder eines der mehrerer Targets 306 entsprechend des vorgegebenen Kohlenstoffanteils der Schicht 304 zusammengesetzt sein.
  • Beispielsweise kann ein Target 306 eine Kohlenstoff-Beschichtungsquelle 306 mit einem Kohlenstoffanteil von mehr als 50 at-% sein, wobei die abgeschiedene Schicht ebenfalls einen Kohlenstoffanteil von mehr als 50 at-% aufweisen kann. Ferner kann das Target 306 einen Kohlenstoffanteil von mehr als 70 at-% (90 at-%) aufweisen, wobei die abgeschiedene Schicht einen Kohlenstoffanteil von mehr als 70 at-% (90 at-%) aufweisen kann.
  • Ferner können beim Abscheiden 306b der Schicht 304 Bestandteile der Prozessatmosphäre zumindest teilweise in die Schicht 304 eingebaut werden. Beispielsweise kann Wasserstoff aus der Prozessatmosphäre in die Schicht eingebaut werden, so dass die Schicht zum Teil (z. B. in einem Bereich von ungefähr 1 at-% bis ungefähr 20 at-%) aus Wasserstoff bestehen kann. Anschaulich kann unter Verwendung einer Wasserstoff-Prozessatmosphäre ein Kohlenstoff-Wasserstoff-Gemisch abgeschieden werden.
  • Ferner kann beispielsweise die Schicht (z. B. eine Kohlenstoffschicht) 304 mehrere Bereiche mit jeweils unterschiedlicher Kohlenstoffkonfiguration (Bindungsstruktur des Kohlenstoffs oder Zusammensetzung aus sp2 und sp3 hybridisierten Kohlenstoff) aufweisen. Beispielsweise können Bereiche der Schicht 304 Graphit (mit einem Anteil von sp2 hybridisierten Kohlenstoff von mehr als 90 at-%), nanokristallinen Graphit (mit einer Korngröße des Graphits von 1 nm bis zu 100 nm), sogenannten amorphen Kohlenstoff (mit einem Anteil von sp2 hybridisierten Kohlenstoff in einem Bereich von ungefähr 70 at-% bis ungefähr 90 at-%) oder tetraedrischen Kohlenstoff (mit einem Anteil von sp3 hybridisierten Kohlenstoff von mehr als 40 at-%) aufweisen.
  • Zum Beschichten kann das Metallsubstrat 302 durch einen Beschichtungsbereich in dem die Abscheidung 306b des Materials mittels einer Beschichtungsquelle 306 (oder Beschichtungsvorrichtung 306) erfolgen kann hindurch transportiert werden. Beispielsweise kann das Metallsubstrat 302 oder die Metallschicht 302 mit konstanter oder variabler (z. B. zeitlich veränderlicher) Geschwindigkeit mittels einer Transportanordnung (z. B. Rollen) durch den Beschichtungsbereich hindurch transportiert werden. Alternativ kann das Metallsubstrat 302 auch in den Beschichtungsbereich hinein transportiert und nach dem Beschichten 306b wieder aus dem Beschichtungsbereich heraus transportiert werden.
  • 3b veranschaulicht schematisch ein Aufbringen einer Schicht auf ein Metallsubstrat 302 oder eine Metallschicht 304b gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Schicht 304 beispielsweise zweilagig (wie in 3b dargestellt) oder mit mehr als zwei Lagen (z. B. dreilagig oder vierlagig, usw.) mittels einer Beschichtungsquelle 306 oder mehrerer Beschichtungsquellen 306 aufgebracht werden kann. Beispielsweise kann eine erste Schicht 304b (erste Lage) und darauf eine zweite Schicht 304a (zweite Lage) abgeschieden werden. Die Zusammensetzung der jeweiligen Lagen der Schicht kann mittels der Prozessparameter, z. B. mittels der Zusammensetzung des Materials der Beschichtungsquelle 306 oder jeweils der mehreren Beschichtungsquellen 306 gemäß einer Vorgabe eingestellt werden.
  • Beispielsweise kann die erste Schicht 304b ein Metall (z. B. Chrom oder Titan) oder eine Metalllegierung aufweisen. Die erste Schicht kann mittels einer Beschichtungsanordnung 306, wobei die Beschichtungsanordnung 306 eine Metall-Beschichtungsquelle 306 aufweisen kann (die zu mehr als 50 at-% aus Metall bestehen kann), abgeschieden werden und eine Metallschicht (die zu mehr als 50 at-% aus Metall bestehen kann) sein. Anschaulich kann die erste Schicht eine Metall-Pufferschicht zum Erhöhen des Haftvermögens der Schicht sein, wie vorangehend beschrieben wurde. Ferner kann die erste Schicht 304b Kohlenstoff aufweisen oder zumindest einen Gradienten des Kohlenstoffanteils, so dass beim Abscheiden 306b der Schicht der Kohlenstoffanteil mit zunehmender Schichtdicke steigt (oder sinkt).
  • Die zweite Schicht kann beispielsweise mittels einer Beschichtungsanordnung 306, wobei die Beschichtungsanordnung 306 eine Kohlenstoff-Beschichtungsquelle 306 (die zu mehr als 50 at-% aus Kohlenstoff bestehen kann) aufweisen kann, abgeschieden werden und kann eine Kohlenstoffschicht (die zu mehr als 50 at-% aus Kohlenstoff bestehen kann) sein und ferner einen Gradienten des Kohlenstoffanteils aufweisen, wie anhand 3a beschrieben wurde.
  • Die Abscheidung der ersten Schicht 304b und der zweiten Schicht 304b kann beispielsweise nacheinander mittels mehrere Beschichtungsquellen 306 mit unterschiedlicher Zusammensetzung (z. B. mindestens eine Metall-Beschichtungsquelle 306 und mindestens eine Kohlenstoff-Beschichtungsquelle 306) erfolgen. Ferner kann sich der Beschichtungsbereich (der Bereich auf dem Metallsubstrat 302 auf dem das Material der Schicht, bzw. zur Schichtbildung abgeschieden wird) von mindestens zwei der mehreren Beschichtungsquellen 306 überlappen, so dass zwischen den mindestens zwei der mehreren Beschichtungsquellen 306 eine Durchmischung der abgeschiedenen Materialien erfolgt.
  • Beispielsweise kann mittels der mindestens zwei der mehreren Beschichtungsquellen 306 ein Gradient einer Zusammensetzung der Schicht (z. B. ein Gradient des Kohlenstoffanteils) zwischen den mindestens zwei der mehreren Beschichtungsquellen 306 erzeugt werden. Anschaulich kann beispielsweise ein Kohlenstoff-Metall-Gemisch in einem Bereich zwischen der ersten und der zweiten Beschichtungsquelle 306 (im Überlappungsbereich) abgeschieden werden.
  • 4a veranschaulicht ein Bestrahlen 400 der Schicht oder ein Erzeugen 400 von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Bestrahlen 400 der Schicht oder das Erzeugen 400 von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht kann mittels mindestens einer Bestrahlungsanordnung 308 erfolgen, wobei die mindestens eine Bestrahlungsanordnung 308 mindestens eine Bestrahlungsquelle 308 beispielsweise eine Lichtquelle 308 (z. B. ein Laser, eine Lampe, eine Blitzlampe oder eine Röntgenquelle) oder eine Materiequelle 308 (z. B. ein Elektronenquelle oder eine Protonenquelle) aufweisen kann. Dabei kann die mindestens eine Bestrahlungsanordnung 308 eine gepulst oder eine kontinuierlich betriebene Bestrahlungsquelle 308 aufweisen, wobei mittels der mindestens einen Bestrahlungsanordnung 308 eine gepulste oder eine kontinuierliche Strahlung 308b erzeugt werden, beispielsweise ein kontinuierlicher Elektronenstrahl 308b mittels eines Elektronenbeschleunigers 308 (z. B. mittels einer Linearquelle) oder ein gepulster Lichtblitz 308b mittels einer Blitzlampe 308 (z. B. einer Gasentladungslampe 308 oder einer Leuchtdiode 308).
  • Das Bestrahlen der Schicht kann analog zum Aufbringen der Schicht in einer Prozessatmosphäre (z. B. eine inerte Prozessatmosphäre oder eine reduzierende Prozessatmosphäre) erfolgen, wie vorangehend anhand 3a beschrieben ist.
  • Zum Bestrahlen kann das Metallsubstrat 302 durch einen Bestrahlungsbereich in dem das Bestrahlen 308b des Materials mittels einer Bestrahlungsquelle 308 erfolgen kann hindurch transportiert werden. Beispielsweise kann das Metallsubstrat 302 oder die Metallschicht 302 mit konstanter oder variabler (z. B. zeitlich veränderlicher) Geschwindigkeit mittels einer Transportanordnung (z. B. Rollen) durch den Bestrahlungsbereich hindurch transportiert werden. Alternativ kann das Metallsubstrat 302 auch in den Bestrahlungsbereich hinein transportiert und nach dem Bestrahlen 308b wieder aus dem Bestrahlungsbereich heraus transportiert werden.
  • Ferner kann die erzeugte Strahlung 308b oder die erzeugten Energieimpulse 308b (Strahlung 308b) mittels einer optischen Apparatur (z. B. mittels Spiegel, Reflektoren, Deflektoren, Blenden oder mittels Linsen) geleitet, abgelenkt oder fokussiert werden. Die Schicht kann dabei gleichmäßig (homogen) bestrahlt werden (z. B. mit einer gleichmäßigen Leistungsdichte) oder ungleichmäßig bestrahlt werden, z. B. können ausgewählte Bereiche der Schicht bestrahlt werden.
  • Beim Bestrahlen kann ein erster Teil der von der Bestrahlungsquelle 308 erzeugten und auf die Schicht 304 gelenkten Strahlung 308b von der Schicht absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt werden. Mit größerer Schichtdicke kann dabei der erste Teil der (von der Schicht 304 absorbierten) Strahlung 308b größer sein. Ferner kann ein zweiter Teil der Strahlung 308b, der nicht von der Schicht 304 absorbiert wird, die Schicht 304 durchdringen und auf die Oberfläche des Metallsubstrats 302 treffen, wobei der zweite Teil der Strahlung von dem Metallsubstrat 302 teilweise absorbiert oder auch teilweise reflektiert werden kann. Der teilweise reflektierte zweite Teil der Strahlung kann der Schicht wieder zugeführt werden, und ebenfalls von der Schicht teilweise absorbiert werden.
  • Die mittlere Eindringtiefe der Strahlung 308b in die Schicht (z. B. die Eindringtiefe in der die Hälfte der Strahlung 308b absorbiert wurde) kann dabei von der Art der Strahlung 308b beeinflusst werden. Beispielsweise kann ein Elektronenstrahl 308b mit einer Energie der Elektronen in einem Bereich von ungefähr 10 keV bis ungefähr 50 keV eine mittlere Eindringtiefe in einem Bereich von ungefähr 1 μm bis ungefähr 10 μm aufweisen, wobei die Eindringtiefe des Elektronenstrahls kleiner werden kann, je kleiner die Energie der Elektronen ist. Beispielsweise kann ein Elektronenstrahl mit einer Elektronenenergie von weniger als 10 keV eine Eindringtiefe von weniger als 1 μm aufweisen. Im Vergleich dazu kann die Eindringtiefe von (den mittels einer Lichtquelle 308b emittierten) Photonen zusätzlich materialabhängig und (z. B. nicht linear) frequenzabhängig sein und eine Eindringtiefe in einem Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 10 μm, oder mehr als 10 μm aufweisen. Beispielsweise können Photonen mit einer Wellenlänge von etwa 500 nm eine Eindringtiefe in Graphit je nach Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 500 nm aufweisen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Eigenschaften (z. B. die Wellenlänge oder die kinetische Energie) der Strahlung an die chemische Zusammensetzung und die Eigenschaften (z. B. die Schichtdicke oder die Absorptionseigenschaften) der Schicht derart angepasst werden, so dass so dass die Schicht 304 mittels Bestrahlens erwärmt werden kann und die Schicht 304 zumindest teilweise strukturell verändert werden kann. Beispielsweise kann die Strahlung monochromatisch sein oder die spektrale Verteilung gemäß einer Vorgabe (z. B. ein innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs) mittels einer geeigneten Bestrahlungsquelle 308 eingestellt werden. Ferner kann die Strahlung durch ein absorbierendes Material hindurch geführt werden, wobei ein Teil der von der Bestrahlungsquelle 308 emittierten Strahlung (z. B. ein Teil des Frequenzbereichs) von dem absorbierenden Material zumindest teilweise absorbiert (heraus gefiltert) werden kann bevor die Schicht bestrahlt wird.
  • Dabei kann die spektrale Verteilung der Strahlung (z. B. von Photonen) z. B. derart eingestellt werden, dass die Strahlung vornehmlich von der zweiten Lage 304a (z. B. der Kohlenstoffschicht) absorbiert werden kann, und zum Großteil (z. B. mehr als 50%) von dem Metallsubstrat 302 oder der ersten Lage 304b (z. B. der Metall-Pufferschicht) reflektiert werden kann. Ferner kann die erzeugte Strahlung eine Wellenlänge in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 10 mm aufweisen, z. B. in einem Bereich von ungefähr 100 nm bis ungefähr 1 mm.
  • Die Zeitspanne innerhalb der die Schicht (z. B. auf eine vorgegebene Temperatur) erwärmt werden kann ist von der Leistung der emittierten Strahlung 308b zum Bestrahlen der Schicht 304 und der Eindringtiefe der Strahlung 308b in die Schicht 304 abhängig. Liegt die Eindringtiefe in etwa in der Größenordnung der Schichtdicke kann die Schicht 304 beispielsweise mittels gepulsten Bestrahlens innerhalb der Pulsdauer des gepulsten Bestrahlens auf oder um über 400°C z. B. über 1000°C gegenüber dem Metallsubstrat erwärmt werden. Beispielsweise kann die Schicht 304 am Ende eines Strahlungspulses oder am Ende einer Belichtungszeit eine maximale Temperatur erreicht haben, wobei die Dauer des Strahlungspulses an die zu erreichende Temperatur angepasst werden kann.
  • Die von der Schicht 304 absorbierte Strahlungsenergie kann als Wärmeenergie an das Metallsubstrat 302 abgegeben werden, wobei die Geschwindigkeit mit der die Wärme an das Metallsubstrat 302 abgegeben werden kann von der Wärmeleitfähigkeit der Schicht 304 und von der Wärmeleitfähigkeit des Metallsubstrats 302 bestimmt werden können. Bei einer ausreichenden Leistung der von der Bestrahlungsquelle 308 emittierten Strahlung 308b kann der Schicht 304 schneller Wärmeenergie zugeführt werden, als diese Wärmeenergie an das Metallsubstrat 302 abgegeben kann. Dadurch kann eine Temperaturdifferenz zwischen der Schicht 304 und dem Metallsubstrat 302 in einem Bereich von ungefähr 50°C bis ungefähr 2000°C, z. B. in einem Bereich von ungefähr 400°C bis ungefähr 1000°C, bereitgestellt werden.
  • In Abhängigkeit der Leistung der von der Bestrahlungsquelle 308 emittierten Strahlung 308b und der Bestrahlungsdauer (z. B. Pulsdauer) kann die pro Bestrahlungspuls oder pro Bestrahlung in die Schicht eingetragene Wärmeenergie geregelt oder gestellt werden. Ferner kann nach dem Bestrahlen die Wärmeenergie von der Schicht 304 in das Metallsubstrat 302 abgeleitet werden, wobei sich die Schicht 304 abkühlen und dabei das Metallsubstrat 302 erwärmen kann, bis ein Temperaturgleichgewicht erreicht ist (z. B. die Temperatur von Schicht und Metallsubstrat 302 angeglichen ist).
  • Dabei kann das Volumen des Metallsubstrats 302 in dem sich die Wärmeenergie verteilt deutlich größer sein als das Volumen der Schicht 304, z. B. kann das Volumen des Metallsubstrats 302 mehr als das 10-fache, mehr als 100-fache oder mehr als 1000-fache des Volumens der Schicht 304 betragen. Daher kann die in dem Volumen des Metallsubstrats 302 verteilte Wärmeenergie zu einer geringen Erwärmung des Metallsubstrats 302 beim Abbau der Temperaturdifferenz (z. B. beim Angleichen der Temperatur) zwischen Metallsubstrat 302 und Schicht 304 führen. Beispielsweise kann das Ausgleichen der Temperaturdifferenz zu einer Erwärmung des Metallsubstrats 302 von weniger als 200°C führen, z. B. von weniger als 100°C, z. B. von weniger als 50°C.
  • Anschaulich kann mittels Bestrahlens der Schicht 304, die Schicht 304 kurzzeitig stark erwärmt werden, wobei die mittlere Temperatur des Metallsubstrats 302 unter einem Maximalwert, z. B. unter 100°C, oder z. B. unter 200°C, oder z. B. unter 400°C verbleiben kann.
  • Ferner können die zeitlichen Abstände der Bestrahlung, z. B. die zeitlichen Abstände zwischen den Bestrahlungspulsen oder Energieimpulsen, derart eingerichtet werden, dass das Metallsubstrat 302 die beim Bestrahlen eingetragene Wärmeenergie ferner an die Umgebung (z. B. an die umgebende Prozessatmosphäre oder an die Transportanordnung) abgeben kann. Somit kann eine erneute oder wiederholte Bestrahlung erfolgen, wobei eine mittlere Temperatur des Metallsubstrats 302 unterhalb eines Maximalwerts verbleiben kann.
  • Verbleibt die mittlere Temperatur des Metallsubstrats 302 unterhalb eines Maximalwerts kann beispielsweise vermieden werden, dass das Metallsubstrat 302 aufgrund der Erwärmung (z. B. über einen Maximalwert hinaus) verformt wird. Beispielsweise kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein geprägtes oder gewelltes Metallsubstrat 302, wie beispielsweise ein Wellblech 302 oder Profilblech 302, bearbeitet werden, welches eine begrenzte Formstabilität bei Erwärmung aufweisen kann.
  • Ferner kann die Zusammensetzung der Schicht 304 einen Einfluss auf die strukturelle Veränderung der Schicht beim Bestrahlen haben, z. B. auf die Geschwindigkeit mit welcher der Anteil an sp2 und/oder sp3 hybridisiertem Kohlenstoff in der Schicht verändert (Umwandlungsrate) wird. Beispielsweise kann das Einbauen von Wasserstoff (oder anderen Bestandteilen der jeweiligen Prozessatmosphäre) aus der Prozessatmosphäre beim Abscheiden 306b in die Schicht 304 die Umwandlungsrate vergrößern oder verringern, bzw. kann der Anteil eines Metalls in der Schicht 304 (z. B. mittels Abscheidens eines Kohlenstoff-Metall-Gemischs) die Umwandlungsrate beeinflussen.
  • 4b veranschaulicht ein Bestrahlen 400 der Schicht 304 oder ein Erzeugen von Energieimpulsen 308b zum Bestrahlen der Schicht 304 gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei ein Bereich der Schicht 304 bestrahlt werden kann. Das Bestrahlen eines Bereichs der Schicht 304 kann beispielsweise von Vorteil sein um eine Erwärmung des Metallsubstrats 302 über einen Maximalwert hinaus vermeiden zu können, indem die eingetragene Wärmeenergie bei konstanter Leistungsdichte (Leistung pro bestrahlter Fläche) begrenzt werden kann.
  • Ferner kann beispielsweise der Bestrahlungswinkel (der Winkel unter dem die von der mindestens einen Bestrahlungsanordnung 308 erzeugte Strahlung 308b auf das Metallsubstrat 302 trifft) eingestellt oder angepasst werden. Beispielsweise kann der Anteil der in der Schicht 304 absorbierten Strahlung 308b erhöht werden indem die Strahlung 308b geneigt oder schräg auf die Schicht trifft, wobei der Weg, den die Strahlung innerhalb der Schicht zurücklegen kann mittels Stellens des Bestrahlungswinkels erhöht werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die von der Bestrahlungsquelle 308 erzeugte Strahlung 308b mehrere Bereiche der Schicht nacheinander bestrahlen, z. B. kann die kontinuierliche oder gepulste Strahlung 308b über die Oberfläche der Schicht 304 geführt werden, oder die mittels mehrerer Bestrahlungsquellen 308 erzeugte Strahlung 308b kann mehrere Bereiche der Schicht gleichzeitig bestrahlen.
  • Ferner kann mittels Bestrahlens der Schicht 304 die Struktur der Schicht 304 und damit die Absorptionseigenschaften der Schicht verändert werden. Beispielsweise kann mittels Bestrahlens der Schicht 304 die mittlere Eindringtiefe der Strahlung 308b zunehmen (oder abnehmen), so dass die beim Bestrahlen erreichte Temperatur der Schicht 304 aufgrund der strukturellen Veränderung der Schicht 304 abnehmen (oder zunehmen) kann.
  • 5a veranschaulicht das Bearbeiten 500 einer Metallschicht 302 oder eines Metallsubstrats 302 (Substrat 302) gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei das Metallsubstrat 302 durch einen Beschichtungsbereich hindurch transportiert werden kann, z. B. entlang einer Richtung 501, so dass eine Schicht kontinuierlich abgeschieden werden kann. Ferner kann das Metallsubstrat 302 nach dem Beschichten 306b mittels einer Beschichtungsquelle 306 in einem Beschichtungsbereich durch einen Bestrahlungsbereich in dem die Schicht mittels einer Bestrahlungsquelle 308 bestrahlt werden kann, hindurch transportiert werden, z. B. entlang einer Richtung 501.
  • Beispielsweise kann das Metallsubstrat 302 ein Bandsubstrat 302 oder eine Folie 302 sein, welche durch eine Prozessieranordnung zum Bearbeiten (Beschichten und Bestrahlen) des Metallsubstrats 302, z. B. durch eine Vakuumkammer oder eine Vakuumkammeranordnung, hindurch transportiert werden kann, z. B. von Rolle zu Rolle. Ferner können mehrere Metallsubstrate 302 nacheinander durch eine Prozessieranordnung hindurch transportiert werden.
  • Das Metallsubstrat 302 kann beispielsweise eine Breite (senkrecht zur Transportrichtung) in einem Bereich von ungefähr 0,01 m bis ungefähr von 7 m aufweisen, z. B. in einem Bereich von ungefähr 0,1 m bis ungefähr von 5 m, z. B. in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m und ferner eine Länge (parallel zur Transportrichtung) von mehr als 0,01 m aufweisen, z. B. mehr als 0,1 m, z. B. mehr als 1 m oder z. B. mehr als 10 m. Ferner kann das Metallsubstrat 302 eine (zu beschichtende) Fläche in einem Bereich von ungefähr 10 cm2 bis ungefähr von 100 m2 oder mehr als von 100 m2 aufweisen.
  • Ferner kann die Beschichtungsquelle 306 oder können die mehreren Beschichtungsquellen 308 rohrförmige Kathoden zum Sputtern sein, mit einer Breite in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 5 m. Ferner kann die Bestrahlungsquelle 308 eine Gasentladungsröhre sein mit einem Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 2 cm bis ungefähr 50 cm und einer Länge in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 5 m.
  • Wie in 5a veranschaulicht ist kann beispielsweise mittels einer Beschichtungsquelle 306 oder mehrerer Beschichtungsquellen 306 eine Schicht 304 auf dem Metallsubstrat 302 kontinuierlich abgeschieden werden. Alternativ kann das Metallsubstrat 302 beim Transportieren durch den Beschichtungsbereich hindurch nur teilweise beschichtet werden. Beispielsweise kann die Beschichtung mittels einer Blende unterbrochen oder teilweise ausgesetzt werden.
  • Ferner kann vor dem Aufbringen der Schicht 304 die native Oxidschicht des Metallsubstrats 302 abgetragen werden, z. B. mittels Polierens, Plasmaätzens, chemischen Ätzens oder chemischer Reduktion (z. B. mittels eines geeigneten Gases). Mittels Abtragens der Oxidschicht kann ein elektrischer Übergangswiderstand zwischen der aufgetragenen Schicht 304 und dem Metallsubstrat 302 verringert werden.
  • 5b veranschaulicht das Bearbeiten 500 eines Metallsubstrats 302 (einer Metallschicht 302 oder eines Metallsubstrats 302) gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Schicht mittels mehrerer Beschichtungsquellen 306 mehrlagig abgeschieden werden kann. Beispielsweise kann die Schicht 304 mittels zwei Beschichtungsquellen 306 zweilagig oder mittels drei Beschichtungsquelle 306 dreilagig (oder mittels vier Beschichtungsquelle 306 vierlagig, usw.) abgeschieden werden.
  • Beispielsweise kann mittels einer Beschichtungsquelle 306 eine Metallschicht 304b (die beispielsweise zu mehr als 50 at-% aus Chrom oder Titan bestehen kann) und mittels einer zweiten Beschichtungsquelle 306 eine Kohlenstoffschicht 304a (die beispielsweise zu mehr als 50 at-% aus Kohlenstoff bestehen kann) abgeschieden werden. Ferner kann nach dem Abscheiden von Kohlenstoff die zweilagige Kohlenstoff-Metall-Schicht 304a, 304b bestrahlt werden, so dass in der Kohlenstoffschicht beispielsweise Graphit oder nanokristalliner Graphit gebildet werden kann.
  • Ferner können die erste Beschichtungsquelle 306 und die zweite Beschichtungsquelle 306, wie vorangehend beschrieben ist, einen überlappenden Beschichtungsbereich aufweisen, so dass an der gemeinsamen Kontaktfläche zwischen der Metallschicht 304b und der Kohlenstoffschicht 304a ein Metall-Kohlenstoff-Gradient entstehen kann.
  • Ferner können die mehreren Beschichtungsquellen 306 und mindestens eine Bestrahlungsquelle 308 derart angeordnet sein oder werden, dass nach dem Abscheiden und Bestrahlen einer ersten Schicht eine zweite Schicht abgeschieden werden kann, welche optional mittels einer weiteren Bestrahlungsquelle 308 bestrahlt werden kann. Dies kann vorteilhaft sein, wenn Schichten mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung unterschiedliche Bestrahlungsparameter (z. B. Wellenlänge der Pulsdauer der Bestrahlung) erfordern, oder die Bestrahlung verschiedener Schichten (oder Lagen) getrennt erfolgen muss.
  • 6a veranschaulicht ein bearbeitetes Metallsubstrat 600 (oder eine bearbeitete Metallschicht 600) gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei das Metallsubstrat 302 beidseitig bearbeitet werden kann. Ferner kann das Metallsubstrat 302, wie vorangehend beschrieben wurde, ein geprägtes oder gewelltes Metallsubstrat 302 sein, welches ein gekrümmtes, gewelltes und/oder gewinkeltes Profil aufweisen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Metallsubstrat 302 beispielsweise eine Prägungstiefe oder Profiltiefe entlang der Richtung 603 und eine Prägungsbreite oder Profilbreite entlang der Richtung 601 aufweisen.
  • Ein gemäß verschiedenen Ausführungsformen (z. B. beidseitig) bearbeitetes Metallsubstrat 600 kann beispielsweise vorteilhaft bei der Verwendung als Bipolarplatte (z. B. in einer Brennstoffzelle) sein. Bipolarplatten, sorgen in einer Brennstoffzelle bei guter elektrischer Leitfähigkeit und hinreichendem Korrosionsschutz für eine gezielte Verteilung von Brennstoff 602 und/oder Sauerstoff 604, sowie eine gezielte Abführung von Reaktionsprodukten, wie z. B. Wasser, wie schematisch in 6b veranschaulicht ist.
  • 6b veranschaulicht eine Anordnung 650 von bearbeiteten Metallsubstraten 600 oder bearbeiteten Metallschichten 600 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer Brennstoffzelle und verdeutlicht den schematischen Aufbau einer isolierten Brennstoffzelle (wobei eine Stapeleinheit 650 von mehreren miteinander koppelbaren Stapeleinheiten einer Brennstoffzelle dargestellt ist). Der Brennstoff 602 (z. B. Wasserstoff) kann durch eine Gasdiffusionsschicht 608 (Gas-Diffusions-Layer, GDL), z. B. durch graphitartiges elektrisch leitfähiges Papier, auf der Oxidationsseite, hindurch an die Anode 612 geführt werden, wohingegen der Sauerstoff 604 mittels eines weiteren GDL 608 feinverteilt an die Kathode 616 gelangen kann.
  • Herkömmliche Bipolarplatten in Niedertemperatur-Brennstoffzellen, wie beispielsweise Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM) oder Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen (Protonen-Exchange-Membran) können etwa 40% der totalen Herstellungskosten eine Stapeleinheit (Stackkosten) ausmachen und zu etwa 80% das Gesamtgewicht bestimmen. Beispielsweise können herkömmliche Bipolarplatten aus Graphit bestehen, spröde sein und eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 4 mm bis ungefähr 6 mm aufweisen, was im Vergleich zu einer Stapeleinheit verhältnismäßig dick sein kann.
  • Alternativ zu Bipolarplatten aus Graphit können Bipolarplatten aus Metallsubstraten 302 (z. B. austenitische Edelstahlsubstrate 302, die nur wenige 100 μm dick sind) eine geringere Dicke aufweisen, müssen allerdings z. B. mittels einer Schutzschicht passiviert werden, um in Brennstoffzellen eingesetzt werden zu können. Wesentliche Vorteile von Metallsubstraten für die Verwendung als Bipolarplatten in Brennstoffzellen können darin gesehen werden, dass Metallsubstrate intrinsisch keine (oder eine verschwindend geringe) Gaspermeabilität aufweisen können, eine hohe elektrische sowie thermische Leitfähigkeit besitzen können und sehr wirtschaftlich prozessiert (hergestellt) werden können.
  • Ein großer Nachteil von herkömmlichen Metallsubstraten für die Verwendung als Bipolarplatten in Brennstoffzellen kann hingegen unter anderem darin gesehen werden, dass in korrosiven Umgebungen (wie z. B. in Brennstoffzellen) die Dicke der nativen Oxidschicht des Edelstahls (im Betrieb von Brennstoffzellen) ansteigen kann, was zu einem unerwünschten Leistungseinbruch (der Brennstoffzellen) führen kann. Anschaulich kann eine dickere native Oxidschicht den Innenwiderstand einer Stapeleinheit erhöhen und damit die Leistung, die eine Brennstoffzelle abgeben kann, reduzieren, da sich die Innenwiderstände mehrerer Stapeleinheiten einer Brennstoffzelle summieren können.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann nach einer entsprechend wirksamen Vorbehandlung zum Abtragen dieser nativen Oxidschicht (z. B. mittels chemischen Ätzens oder mittels Plasmaätzens), eine funktionelle Beschichtung die Korrosionswirkung der Metallsubstrate stark minimieren. Graphitartiger amorpher Kohlenstoff kann im Bereich (innerhalb der Betriebsparameter, z. B. innerhalb der Betriebstemperatur) von Niedertemperatur-Brennstoffzellen 650 einen hervorragenden Korrosionsschutz liefern, z. B. bereits bei Schichtdicken größer als 20 nm.
  • Mit steigender Dicke einer solchen Beschichtung 304 (z. B. einer Kohlenstoffschicht) können ausgeprägte Delaminierungs-Effekte (Ablösungs-Effekte) auftreten. Eine schwache Haftung der Schicht am Edelstahlsubstrat kann vor allem aufgrund eines hohen internen Stresses verursacht werden und dabei als wesentliche Ursache von Ablösungs-Effekten gesehen werden.
  • Abhilfe kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen mittels dünner metallischer Pufferschichten 304a geschaffen werden, wie z. B. Titan oder Chrom Pufferschichten, bzw. dünne Ti:C (Kohlenstoff-Titan-Gemisch) oder Cr:C (Kohlenstoff-Chrom-Gemisch) Pufferschichten oder Gradienten-Pufferschichten (die Gradienten im Anteil des Kohlenstoffs aufweisen können). Mittels der Pufferschichten kann beispielsweise der innere Stress/Spannung des Kohlenstoffs (der Kohlenstoffschicht 304b) zum Metallsubstrat 302 hin stetig abgebaut werden und so das Haftvermögen der Schicht erhöht werden.
  • Eine Herausforderung kann dabei darin gesehen werden, dass sich neben einem hohen Korrosionsschutz der elektrische Widerstand des funktionell beschichteten Edelstahls (ohne Oxidschicht) nur geringfügig vergrößern darf. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels Bestrahlens der Grenzflächenwiderstand der Kohlenstoff-Beschichtung (der Schicht 304) des Edelstahls verringert werden. Typische Grenzflächenwiderstände oder Übergangswiderstände (in der Literatur auch als ICR, Interfacial Contact Resistor bezeichnet) des gemäß verschiedenen Ausführungsformen applizierten funktionellen Schichtsystems können in einem Bereich von ungefähr 10 mΩ·cm2 bis ungefähr 20 mΩ·cm2 liegen. Alternativ kann der Grenzflächenwiderstand des bearbeiteten Metallsubstrats 302 beispielsweise geringer sein als ungefähr 100 mΩ·cm2, z. B. kleiner als 50 mΩ·cm2. Der Grenzflächenwiderstand kann beispielsweise ein Widerstand sein, der sich beim Kontaktieren (der Oberfläche) des Metallsubstrats zwischen den Kontakten und dem Metallsubstrat ergeben kann. Ferner kann der spezifische elektrische Widerstand der Schicht kleiner sein als 100 Ω·mm2/cm, z. B. kleiner als 20 Ω·mm2/cm.
  • Herkömmlicherweise kann eine wirtschaftlich preisgünstige Herstellung ein technologisches Konzept motivieren, welches erst beschichtet und anschließend die (beschichteten) Edelstahlsubstrate 302 formt. Der wesentliche Nachteil kann dabei darin gesehen werden, dass aufgrund des Prägungsprozesses kleinste oberflächennahe Mikrorisse (in der Beschichtung) erzeugt werden können, die Korrosionskanäle hervorbringen können. Im Gegensatz dazu kann dieser Nachteil gemäß verschiedenen Ausführungsformen mittels Beschichtens von geformten Bipolarplatten vermieden werden.
  • Dazu können Edelstahlsubstrate 302 zur Verwendung in Brennstoffzellen vor dem Beschichtungsprozess mechanisch geprägt werden, wodurch die typischen Gaskanäle der Bipolarplatten entstehen können, wie in 6b veranschaulicht ist. Darauf basierende Beschichtungsverfahren begründen beispielsweise ein Sheet-to-Sheet-Anlagen-Design.
  • Zur Abscheidung von dünnen Metallschichten 304b und Kohlenstoffschichten 304a auf Metallsubstraten 302 zur Verwendung in Brennstoffzellen können gemäß verschiedenen Ausführungsformen diverse Methodiken (Herstellungsverfahren) verwendet werden. Vielversprechende Eigenschaften können beispielsweise mittels CVD-Verfahren (Chemical-Vapor-Deposition) oder PVD-Verfahren (Physical-Vapor-Deposition) appliziert werden. Gängige PVD-Prozesse sind z. B. das Sputtern oder das Elektronenstrahlverdampfen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sowohl die Abscheidetemperatur als auch eine thermische Nachbehandlung Einfluss auf die chemische Bindungsstruktur amorpher Kohlenstoffschichten 304a haben. Dementsprechend lassen sich beispielsweise die elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff mittels Wärmeenergie gezielt verändern.
  • Bei höheren Glühtemperaturen (Annealing-Temperature) können Kohlenstoffschichten 304a zunehmend graphitische Eigenschaften (z. B. NC-Graphit, Nano-Crystalline Graphite) aufweisen. Mit anderen Worten kann die Größe der NC-Graphit-Cluster (Korngröße des nanokristallinen Graphits) und damit der Anteil des sp2 hybridisierten Kohlenstoffs und das damit korrelierte Intensitätsverhältnis ID/IG (D: Disordered Peak, G: Graphite Peak) eines mittels Raman-Spektroskopie gewonnen Spektrums in Abhängigkeit von der Glühtemperatur steigen, wie in 7 veranschaulicht ist.
  • Derartige Kohlenstoffschichten 304a, appliziert auf Bipolarplatten 600, können einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen was wiederum zu einer höheren Leistungsumsetzung in Brennstoffzellen führen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Beschichtungsprozesse bei höheren Temperaturen bzw. aktiver Substratheizung ablaufen. Im Falle vorgeprägter Bipolarplatten 600 kann der maximale Temperatureintrag (z. B. die maximale Temperatur auf die eine vorgeprägte Bipolarplatte 600 erhitzt werden kann) jedoch stark limitiert sein.
  • Bei Überschreitung der mittleren Temperatur einer vorgeprägten Bipolarplatte 600 über einen Schwellwert oder einen Maximalwert (wobei der Schwellwert z. B. abhängig von der Dicke der Bipolarplatte 600 sein kann) hinaus kann es zu einer ungewollten Deformierung der Bipolarplatte 600 kommen, wodurch der Einsatz eines Wärmeeintrags zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften (von Kohlenstoffschichten 604a) nicht allumfänglich genutzt werden kann, bzw. begrenzt sein kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können funktionelle Oberflächenschichten und oberflächennahe amorphe Kohlenstoffschichten 304a mit mindestens einer darunter liegenden wirksamen metallischen Pufferschicht 304b auf austenitischem, rostfreiem Edelstahl 302 (mittels Bestrahlens) selektiv erwärmt werden, wodurch eine Modifikation der chemischen Bindung des Kohlenstoffs erreicht werden kann, so dass insbesondere geprägte Metallsubstrate 302 ihre ursprüngliche dreidimensionale Form beibehalten können.
  • Ferner kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen mittels eines sogenannten Rapid-Thermal-Process (Kurzzeiterhitzens, RTP) ein ultrakurzer Energieimpuls mit hoher Leistungsdichte in Form von Lichtquanten (Photonen) zerstörungsfrei auf die Oberfläche des beschichten Metallsubstrates 600 treffen, wodurch ein geprägtes dünnes Edelstahlsubstrat einer (thermisch induzierten) etwaigen Entspannung nicht folgen kann, da im Volumen die zur Deformierung notwendige Wärmeenergie einen dafür hinreichendem Schwellwert nicht übersteigen kann.
  • Wird beispielsweise der Energieimpuls mittels Blitzlampen generiert, so kann sich die deponierte Energie bei einer Pulsdauer von etwa 1 ms an der Oberfläche bis auf eine Tiefe von wenigen Mikrometern konzentrieren, in der die daraus resultierende Dynamik zur Modifikation der chemischen Bindung benötigt wird. Die anfänglich an der Oberfläche lokalisierte Energie kann anschließend in Richtung Metallsubstrat 302 abfließen und sich mit einer zeitlich und örtlich abnehmenden Energiedichte im ganzen Volumen in deutlich weniger als einer Sekunde verteilen.
  • Aufgrund der relativ hohen Wärmekapazität des Metallsubstrats 302 kann der Energiepuls nur zu einem minimalen Temperaturanstieg des gesamten Metallsubstrats 302 führen. In Abhängigkeit von diversen Parametern, wie z. B. Energiemenge, Pulsdauer und Pulsform (zeitliches Energieprofil oder zeitliches Leistungsprofil) des Lichtblitzes kann die strukturelle Veränderung gezielt beeinflusst werden. Alternativ können gepulste Laser eingesetzt werden, die eine wesentliche kürzere Einwirkungszeit als 1 ms ermöglichen können, allerdings mit höheren Prozesskosten verbunden sein können.
  • 6c veranschaulicht eine Anordnung von bearbeiteten Metallsubstraten 606 oder bearbeiteten Metallschichten 606 gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer Brennstoffzelle 650. Dabei kann eine in der Brennstoffzelle erfolgte Ladungstrennung 618 durch die Elektrolyt-Membran 614 (Membran-Elektronen-Einheit: MEA), die Anode 612 (oder die Kathode 616) und die GDL 608 hindurch mittels der gemäß verschiedenen Ausführungsformen bearbeiten Bipolarplatten 606 abgegriffen oder kontaktiert werden, so dass eine Stapeleinheit einer Brennstoffzelle einen geringen Innerwiderstand und eine hohe Leistungsausbeute aufweisen kann.
  • 7 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer spektroskopischen Analyse 700 unterschiedlich bearbeiteter Metallsubstrate oder unterschiedlich bearbeiteter Metallschichten gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Dabei kann mittels Bestrahlens der Anteil von sp2 hybridisierten Kohlenstoff und/oder sp3 hybridisierten Kohlenstoff in der Schicht beeinflusst werden. Ferner kann die Zusammensetzung (Anteil von sp2 hybridisierten Kohlenstoff und/oder sp3 hybridisierten Kohlenstoff) der Schicht mittels Spektroskopie (z. B. Raman-Spektroskopie) und dem mit der Zusammensetzung der Schicht korrelierenden Position des IG-Peaks 710 im Spektrum und dem Intensitätsverhältnis ID/IG 720 analysiert werden.
  • In 7 ist beispielhaft die Position des IG-Peaks 710 und das Intensitätsverhältnis ID/IG 720 in Abhängigkeit des Anteils von sp2 hybridisierten Kohlenstoff und sp3 hybridisierten Kohlenstoff dargestellt. Dabei kann mittels Bestrahlens der Schicht der Anteil von sp2 hybridisierten Kohlenstoff in der Schicht schrittweise 712, 714, 716 erhöht werden, was zu einer Veränderung der Position des IG-Peaks 710 und des Intensitätsverhältnis ID/IG 720 führen kann.
  • Beispielsweise kann eine, z. B. in Verbindung mit entsprechenden Prozessparametern abgeschiedene Schicht, die überwiegend tetraedrisch modifizierten Kohlenstoff 702 aufweist, mittels Bestrahlens strukturell verändert 712 werden, so dass die Schicht beispielsweise amorphen Kohlenstoff 704 aufweisen kann. Ferner kann die Schicht derart strukturell verändert 714 werden, dass die Schicht nanokristallinen Kohlenstoff 706 oder schließlich 716 Graphit 708 aufweisen kann.
  • 8 veranschaulicht schematisch eine Prozessieranordnung 800 zum Bearbeiten eines Metallsubstrats 812 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Wie vorangehend beschrieben kann eine Prozessieranordnung 800 zum Bearbeiten eines Metallsubstrats 812 eine Vakuumkammer 802 aufweisen zum Bereitstellen eines Vakuums mittels einer mit der Vakuumkammer 802 gekoppelten Vakuumpumpenanordnung.
  • Ferner kann die Vakuumkammer 802 einen Zugangsbereich 802z und/oder einen Ausgangsbereich 802a aufweisen, wobei das Metallsubstrat 812 durch den Zugangsbereich 802z und/oder Ausgangsbereich 802a hindurch in die Vakuumkammer 802 hinein und/oder aus der Vakuumkammer 802 heraus transportiert werden kann, beispielsweise entlang einer Richtung 801. Ferner kann das Metallsubstrat 812 in einen Beschichtungsbereich 803 der Vakuumkammer 802 und/oder in einen Bestrahlungsbereich 805 der Vakuumkammer 802 hinein bzw. aus dem Beschichtungsbereich 803 und/oder aus dem Bestrahlungsbereich 805 heraus transportiert werden. Ferner kann das Metallsubstrat 812 durch den Beschichtungsbereich 803 und/oder durch den Bestrahlungsbereich 805 hindurch transportiert werden, beispielsweise entlang einer Substrattransportrichtung 801.
  • Ferner kann eine Prozessieranordnung 800 eine in der Vakuumkammer 802 angeordnete Beschichtungsvorrichtung 804 aufweisen zum Aufbringen einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf ein Metallsubstrat 812 in dem Beschichtungsbereich 803. Ferner kann eine Prozessieranordnung 800 eine in der Vakuumkammer 802 angeordnete Bestrahlungsvorrichtung 806 aufweisen zum gepulsten Bestrahlen der kohlenstoffhaltigen Schicht in dem Bestrahlungsbereich 805, wobei die Bestrahlungsvorrichtung 806 derart eingerichtet sein kann, dass mittels der Bestrahlungsvorrichtung 806 die kohlenstoffhaltige Schicht erwärmt werden kann.
  • Die Beschichtungsvorrichtung 804 kann, wie vorangehend beschrieben ist, eine Beschichtungsquelle oder mehrere Beschichtungsquellen aufweisen, z. B. kann die Beschichtungsvorrichtung 804 eines von Folgendem aufweisen: eine Sputterquelle (z. B. ein Magnetron), einen Laserstrahlverdampfer, einen Elektronenstrahlverdampfer, einen thermischen Verdampfer (z. B. einen Induktionsverdampfer oder einen Widerstandsverdampfer), einen Ionenstrahlverdampfer oder einen Lichtbogenverdampfer. Die Bestrahlungsvorrichtung 806 kann, wie vorangehend beschrieben ist, eine Bestrahlungsquelle oder mehrere Bestrahlungsquellen aufweisen, z. B. kann die Bestrahlungsvorrichtung 806 eines von Folgendem aufweisen: einen Elektronenstrahlquelle, eine Gasentladungslampe, eine Röntgenstrahlquelle, einen Laser (z. B. einen kontinuierlich betriebenen Laser oder einen gepulst betriebenen Laser), eine Leuchtdiode, einen Protonenstrahlquelle oder eine Blitzlichtbirne.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung 800 zum Bearbeiten eines Metallsubstrats 812 mehrere Vakuumkammern 802 aufweisen, wobei der Beschichtungsbereich 803 und der Bestrahlungsbereich 805 in verschiedenen Vakuumkammern der mehreren Vakuumkammern 802 bereitgestellt sein können.

Claims (24)

  1. Verfahren zum Bearbeiten eines Metallsubstrats, wobei das Verfahren aufweist: • Aufbringen einer Schicht auf das Metallsubstrat, wobei die Schicht sp2 hybridisierten Kohlenstoff und/oder sp3 hybridisierten Kohlenstoff aufweist; und • gepulstes Bestrahlen der Schicht, so dass die Schicht erwärmt wird und die Schicht zumindest teilweise strukturell verändert wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das gepulste Bestrahlen der Schicht derart erfolgt, dass die Schicht für weniger als 1 s auf mehr als 400°C erwärmt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das gepulste Bestrahlen unter Verwendung mindestens einer Lichtquelle erfolgt.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das gepulste Bestrahlen unter Verwendung einer Blitzlampe erfolgt.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei bei dem gepulsten Bestrahlen eine Pulsdauer von maximal 10 ms, vorzugsweise von maximal 1 ms, vorzugsweise von maximal 500 μs eingesetzt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Metallsubstrat eine Metallfolie oder ein Metallblech mit einer Dicke von maximal 2 mm ist.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Metallsubstrat ein gekrümmtes, gewelltes und/oder gewinkeltes Profil aufweist, und wobei die Schicht auf die gekrümmte oder gewinkelte Oberfläche aufgebracht wird.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das gepulste Bestrahlen der Schicht derart erfolgt, dass eine mittlere Temperatur des Metallsubstrats während des gesamten Bestrahlens unterhalb eines vorgegebenen Maximalwerts verbleibt, so dass das Metallsubstrat in dessen Form im Wesentlichen unverändert bleibt.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schicht mit einer Dicke von mindestens 10 nm aufgebracht wird.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schicht ferner ein Metall aufweist.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schicht einen Kohlenstoffanteil von mehr als 30 at-% aufweist.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner aufweisend: Abscheiden mindestens einer Metallschicht auf das Metallsubstrat.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das gepulste Bestrahlen der Schicht derart erfolgt, dass der Anteil an sp2 und/oder sp3 hybridisiertem Kohlenstoff in der Schicht verändert wird.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei durch das gepulste Bestrahlen der Schicht die elektrische Leitfähigkeit der Schicht erhöht wird.
  15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Metallsubstrat beidseitig bearbeitet wird.
  16. Verfahren zum Bearbeiten einer Metallschicht, aufweisend: • Aufbringen einer Schicht, die Kohlenstoff aufweist, auf die Metallschicht; und • Erzeugen von Energieimpulsen zum Bestrahlen der Schicht, so dass der Kohlenstoff zumindest teilweise strukturell verändert wird.
  17. Prozessieranordnung zum Bearbeiten eines Metallsubstrats, aufweisend: • eine Vakuumkammer zum Bereitstellen eines Vakuums; und • mindestens eine in der Vakuumkammer angeordnete Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf das Metallsubstrat; und • mindestens eine in der Vakuumkammer angeordnete Bestrahlungsvorrichtung zum gepulsten Bestrahlen der kohlenstoffhaltigen Schicht, wobei die Bestrahlungsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass mittels der Bestrahlungsvorrichtung die kohlenstoffhaltige Schicht erwärmt werden kann.
  18. Prozessieranordnung gemäß Anspruch 17, wobei die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung mindestens eine Lichtquelle aufweist.
  19. Prozessieranordnung gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die kohlenstoffhaltige Schicht in weniger als 1 s um mehr als 400°C erwärmt werden kann.
  20. Prozessieranordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung mindestens eine Blitzlampe aufweist.
  21. Prozessieranordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung mindestens eine gepulst betriebene Bestrahlungsquelle aufweist.
  22. Prozessieranordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die kohlenstoffhaltige Schicht zumindest teilweise mit einer Pulsdauer von maximal 10 ms gepulst bestrahlt werden kann.
  23. Prozessieranordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, ferner aufweisend: mindestens eine in der Vakuumkammer angeordnete weitere Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen einer metallhaltigen Schicht auf das Metallsubstrat.
  24. Prozessieranordnung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die mindestens eine Bestrahlungsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass beim Bestrahlen der Anteil an sp2 und/oder sp3 hybridisiertem Kohlenstoff in der kohlenstoffhaltigen Schicht verändert werden kann.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019116000A1 (de) * 2019-06-12 2020-12-17 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte, sowie Bipolarplatte und Brennstoffzelle
US20220275513A1 (en) * 2019-07-17 2022-09-01 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon Method for producing coatings with adapted coating properties
CN114665114A (zh) * 2022-04-11 2022-06-24 上海电气集团股份有限公司 一种多层复合碳涂层及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4849199A (en) * 1987-03-30 1989-07-18 Crystallume Method for suppressing growth of graphite and other non-diamond carbon species during formation of synthetic diamond
US20080057681A1 (en) * 2006-08-31 2008-03-06 Vijay Parihar Dynamic surface annealing of implanted dopants with low temperature hdpcvd process for depositing a high extinction coefficient optical absorber layer
DE102010043204A1 (de) * 2010-08-10 2012-02-16 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Verfahren und Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Schicht eines organischen Materials auf einem Substrat
DE102011080553A1 (de) * 2011-08-05 2013-02-07 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Verfahren zur Herstellung einer graphenbasierten Schicht
US8454750B1 (en) * 2005-04-26 2013-06-04 Novellus Systems, Inc. Multi-station sequential curing of dielectric films

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1278773A (en) * 1968-06-20 1972-06-21 E S & A Robinson Holdings Ltd Photoprinting
US6176932B1 (en) * 1998-02-16 2001-01-23 Anelva Corporation Thin film deposition apparatus
US6749892B2 (en) * 2000-03-22 2004-06-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Method for fabricating membrane-electrode assembly and fuel cell adopting the membrane-electrode assembly
DE10230395A1 (de) * 2002-07-05 2004-01-15 General Motors Corp., Detroit Leitfähiges Bauteil für elektrochemische Zellen sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils
JPWO2007060837A1 (ja) * 2005-11-22 2009-05-07 サクセスインターナショナル株式会社 半導体装置の製造方法
US8497050B2 (en) * 2008-07-29 2013-07-30 GM Global Technology Operations LLC Amorphous carbon coatings for fuel cell bipolar plates
US8501531B2 (en) * 2011-04-07 2013-08-06 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Method of forming graphene on a surface

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4849199A (en) * 1987-03-30 1989-07-18 Crystallume Method for suppressing growth of graphite and other non-diamond carbon species during formation of synthetic diamond
US8454750B1 (en) * 2005-04-26 2013-06-04 Novellus Systems, Inc. Multi-station sequential curing of dielectric films
US20080057681A1 (en) * 2006-08-31 2008-03-06 Vijay Parihar Dynamic surface annealing of implanted dopants with low temperature hdpcvd process for depositing a high extinction coefficient optical absorber layer
DE102010043204A1 (de) * 2010-08-10 2012-02-16 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Verfahren und Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Schicht eines organischen Materials auf einem Substrat
DE102011080553A1 (de) * 2011-08-05 2013-02-07 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Verfahren zur Herstellung einer graphenbasierten Schicht

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