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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Metallemitter aus einem metallischen
Grundkörper
und einer metallischen Oberflächenstruktur
mit Zwischenräumen
in periodischer Anordnung, der bei einer Aufheizung Strahlung mit
einer durch die Oberflächenstruktur
beeinflussten Intensitätsverteilung über einen
Wellenlängenbereich
emittiert, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Metallemitters.
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Metallemitter
dienen der Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise
im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Die Strahlungsemission
wird durch die Aufheizung des Metallemitters auf Temperaturen im
Bereich um und oberhalb von 1000°C
hervorgerufen. Derartige Metallemitter, die auch als heisse Strahler
bezeichnet werden, finden vor allem in der Thermophotovoltaik (TPV)
Anwendung. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt auf dem Gebiet der
Gassensorik, auf dem die Metallemitter herkömmliche Infrarot-Emitter bzw.
-filter ersetzen können.
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In
der Thermophotovoltaik wird thermische Strahlung vorzugsweise im
infraroten Spektralbereich erzeugt und in einer Photovoltaikzelle
in elektrische Energie umgewandelt. Der Metallemitter wird dabei
mit einer Wärmequelle,
beispielsweise einem Propangasbrenner, aufgeheizt, um eine Emission
thermischer Strahlung zu erreichen. Der Wirkungsgrad der Energiekonversion
in der Thermophotovoltaik wurde in den letzten Jahren durch die
Entwicklung von Photovoltaikzellen mit niederer Bandlücke deutlich
erhöht.
Ein ausreichend hoher Wirkungsgrad ist jedoch nur möglich, wenn
der Metallemitter selektiv strahlt, so dass das Emissionsspektrum an
die charakteristische Bandkante des Halbleitermaterials der Photovoltaikzelle
angepasst ist.
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Aus
der
DE 43 06 240 A1 ist
ein IR-Strahler bekannt, bei dem eine spektrale Beeinflussung der
emittierten IR-Strahlung über
ein auf dem Strahler oder oberhalb des Strahlers vorgesehenes mikrostrukturiertes Gitter
oder einen gitterförmigen
Verlauf von Heizelementen erfolgt. Es handelt sich bei dem IR-Strahler
dieser Druckschrift jedoch nicht um einen Metallemitter mit einem
metallischen Grundkörper
und einer metallischen Oberflächenstruktur.
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Aus
der
DE 198 45 423
A1 ist ein Metallemitter aus einem metallischen Grundkörper und
einer metallischen Oberflächenstruktur
mit Zwischenräumen
in periodischer Anordnung bekannt, der bei einer Aufheizung Strahlung
mit einer durch die Oberflächenstruktur
beeinflussten Intensitätsverteilung über einen
Wellenlängenbereich
emittiert. Durch die mikrostrukturierte Oberfläche dieses Metallemitters lässt sich
das Emissionsspektrum bei vorgegebener Temperatur beeinflussen,
so dass sich durch geeignete Wahl der Oberflächenstruktur eine Anpassung
an die Empfindlichkeit einer in der Thermophotovoltaik eingesetzten
Photovoltaikzelle erreichen lässt.
Das Prinzip der Beeinflussung des Emissionsspektrums durch eine
Mikrostrukturierung der Oberfläche
basiert auf der Anregung von Resonanzen (Plasmonen) an der Metalloberfläche oder
auf der Entspiegelung durch ein durch die Oberflächenstruktur gebildetes Oberflächengitter
mit vergleichsweise kleiner Periode. Die Herstellung einer derartigen
mikrostrukturierten Oberflächenstruktur
kann mittels geeigneter photolithografischer Verfahren, wie beispielsweise
Kontaktbelichtungsverfahren, Interferenzlithografie oder LIGA-Verfahren,
und anschließendem
Plasmaätzen
erfolgen. Das Resultat ist ein periodisches Oberflächenrelief in
einer oder zwei Dimensionen, das die Gestalt von Lamellen bzw. einem
Vertiefungsmuster besitzt. Die Periode bewegt sich hierbei zwischen
0,1 und 10 μm.
Durch geeignete Wahl der Form, Tiefe und Periode der Oberflächenstruktur
lässt sich
das Emissionsspektrum des Metallemitters gezielt beeinflussen.
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Für den Einsatz
eines derartigen bekannten selektiven Metallemitters in einem TPV-Generator
oder einem Sensoriksystem, muss der Metallemitter bei hoher Temperatur
betrieben werden, um eine ausreichende Leistungsdichte zu erzeugen.
Typische Werte liegen im Bereich von 1000 bis 2000°C in der
Thermophotovoltaik und um 900°C
in der Gassensorik. Diese hohen Temperaturen führen jedoch zu einer relativ
schnellen Zerstörung
der Oberflächenmikrostruktur
der Metallemitter, so dass die beabsichtigte Beeinflussung des Emissionsspektrums
schnell an Wirkung verliert. Untersuchungen haben gezeigt, dass
selbst die Oberflächenstruktur von
Metallemittern aus hochschmelzenden Metallen wie Wolfram bei Temperaturen
oberhalb von 1000°C
bereits nach wenigen Stunden derart verändert sind, dass die gewünschte Beeinflussung
des Emissionsspektrums nicht mehr auftritt. Die Lebensdauer dieser
selektiven Metallemitter ist daher stark begrenzt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, einen Hochtemperatur-stabilen selektiven Metallemitter
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Emitters anzugeben,
der im Einsatz eine hohe Langzeitstabilität aufweist.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem Metallemitter sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 13
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Metallemitters sowie des Verfahrens
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Der
vorliegende selektive Metallemitter besteht aus einem metallischen
Grundkörper
und einer metallischen Oberflächenstruktur
mit Zwischenräumen
in periodischer Anordnung. Als Grundkörper wird hierbei auch eine
metallische Schicht auf einem Träger
angesehen, die eine Schichtdicke von einem Vielfachen der Strukturperiode
der Oberflächenstruktur
aufweist. Die Oberflächenstruktur
ist derart ausgebildet, dass bei einer Aufheizung des Metallemitters
Strahlung mit einer durch die Oberflächenstruktur beeinflussten
Intensitätsverteilung über einen
Wellenlängenbereich
emittiert wird, d.h. dass das Emissionsspektrum des Metallemitters durch
die Oberflächenstruktur
beeinflusst wird. Die Oberflächenstruktur
muss hierbei eine geeignete Periodizität in einer, zwei oder drei
Dimensionen sowie eine geeignete Strukturtiefe aufweisen, wie dies
bereits in der genannten
DE
198 45 423 A1 näher
beschrieben ist. Der vorliegende Metallemitter zeichnet sich dadurch
aus, dass in den Zwischenräumen
der metallischen Oberflächenstruktur
und/oder zwischen der Oberflächenstruktur
und dem metallischen Grundkörper
eine diffusionshemmende Beschichtung aus einem temperaturstabilen Material
auf den Grundkörper
aufgebracht ist, das bei einer Temperatur von 900°C (für Anwendungen
in der Gassensorik), vorzugsweise bei einer Temperatur von 1000°C oder darüber (für Anwendungen
in der TPV), eine Abdampfrate von weniger als 50 nm pro Jahr unter
Betriebsbedingungen, d.h. im Vakuum, unter Schuztgasatmosphäre oder
an Luft, aufweist. Die Oberflächenstruktur
kann hierbei direkt mit dem metallischen Grundkörper verbunden sein, beispielsweise
durch eine geeignete Oberflächenstrukturierung
dieses Grundkörpers,
oder durch die erfindungsgemäße Beschichtung
von diesem Grundkörper
getrennt sein. In diesem Falle besteht die Oberflächenstruktur
aus einer strukturierten metallischen Schicht oder Schichtfolge
auf der Hochtemperatur-stabilen Beschichtung. Die Strukturtiefe
und/oder Periode der Oberflächenstruktur
liegt hierbei vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 10 μm, um die
gewünschten
Effekte herbeizuführen.
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Bei
der Ausgestaltung des vorliegenden Metallemitters wurde erkannt,
dass die verminderte Langzeitstabilität der bekannten selektiven
Metallemitter des Standes der Technik in erster Linie auf das Phänomen der Diffusion
an deren Oberfläche
bei hohen Temperaturen zurückzuführen ist.
Die thermische Beweglichkeit nimmt mit steigender Temperatur schnell
zu und erreicht für
Oberflächendiffusion
bereits bei einem Bruchteil der Schmelztemperatur endliche Diffusionsraten,
die relativ schnell zur Zerstörung
der Mikrostrukturen an der Oberfläche führen können. Dies betrifft besonders
die Oberflächenstruktur
der hier eingesetzten Metallemitter, bei der die Strukturparameter
wie Gitter periode, Strukturtiefe, Füllfaktoren, Profilbeschaffenheit
usw. sehr genau aufeinander abgestimmt sein müssen, um die gewünschte Selektivität der thermischen
Emission zu erreichen. Weiterhin kann in der Oberflächenstruktur
eine interne Gefügeumwandlung
und Rekristallisation auftreten, die ebenfalls zur Störung der
Struktur führt.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird die strukturierte Metalloberfläche mit
einer zusätzlichen
Schicht aus einem temperaturstabilen Material versehen, das bei
einer Temperatur von 900°C,
vorzugsweise von 1000°C
oder darüber,
eine Abdampfrate von < 50
nm pro Jahr aufweist. Durch diese zusätzliche Beschichtung in den
Zwischenräumen
bzw. zwischen dem Grundkörper
und der Oberflächenstruktur
wird die thermische Beweglichkeit der Metallatome in der Oberflächenstruktur
drastisch herabgesetzt. Durch die Verlangsamung der thermisch bedingten
Oberflächenumordnung
bei hohen Temperaturen wird die Stabilität der Oberflächenstruktur
deutlich erhöht.
Diese als diffusionshemmende Schicht wirkende Beschichtung, die
vorzugsweise eine Schichtdicke von 20 bis 300 nm aufweist, führt daher
zu einer deutlichen Erhöhung
der Langzeitstabilität
des Metallemitters. In gleicher Weise wird durch die Beschichtung
die interne Gefügeumwandlung
und Rekristallisation gehemmt und somit ebenfalls die Langzeitstabilität erhöht. Eine
möglicherweise
auftretende Veränderung
der optischen Eigenschaften des Metallemitters durch die aufgebrachte
temperaturstabile Beschichtung kann bei der Dimensionierung der
Oberflächenstruktur
des Metallemitters bereits berücksichtigt
werden.
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Die
metallische Oberflächenstruktur
des Metallemitters kann bei der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl
von möglichen
Gestaltungsformen aufweisen. Grundsätzlich stellt diese Oberflächenstruktur
eine periodische Mikrostruktur in Form einer Anordnung von Lamellen,
Zylindern oder ähnlichen
erhabenen Strukturelementen auf einer ebenen oder annähernd ebenen
Fläche
dar. Bei thermischer Anregung bilden sich dort Resonanzen aus, sogenannte
Plasmon-Resonanzen, aufgrund derer bestimmte Photonen bevorzugt
emittiert werden. Die Oberflächenstruktur,
im Folgenden aufgrund der periodischen Ausgestaltung auch als Oberflächengitter
bezeichnet, kann direkt mit dem Grundkörper verbunden oder über der
erfindungsgemäßen Beschichtung
aufgebracht sein, so dass sie nicht mit dem Grundkörper in
Kontakt ist. Grundkörper
und Oberflächenstruktur
können
dabei aus dem gleichen oder auch aus unterschiedlichen Materialien
gebildet sein.
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Bei
einer Ausgestaltung des vorliegenden Metallemitters ist die Oberflächenstruktur
in direktem Kontakt mit dem Grundkörper. In diesem Falle werden
die Zwischenräume
durch Vertiefungen zwischen einer Vielzahl von Erhebungen an der
Oberfläche
des Metallemitters gebildet. Die zusätzliche Beschichtung aus dem temperaturstabilen
Material kann dabei lediglich am Boden der Vertiefungen ausgebildet
sein oder die Vertiefungen auch vollständig oder nahezu vollständig ausfüllen. In
Kombination mit beiden Alternativen kann die Beschichtung auch auf
den Erhebungen aufgebracht sein, wobei dann entweder eine zusammenhängende Beschichtung
der gesamten Oberfläche
des Metallemitters oder eine nicht zusammenhängende Beschichtung nur auf
den Erhebungen und innerhalb der Vertiefungen vorliegt. Sämtliche
Kombinationen weisen den Vorteil einer Diffusionshemmung der metallischen
Oberflächenstruktur
auf, so dass sich die Langzeitstabilität eines derartigen Metallemitters
gegenüber
den bekannten mikrostrukturierten Metallemittern des Standes der
Technik deutlich erhöht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Oberflächenstruktur als eine separate
mikrostrukturierte Schicht oder Schichtfolge ausgebildet, wobei
zwischen dieser Schicht und dem metallischen Grundkörper die Beschichtung
aus dem Hochtemperatur-stabilen Material aufgebracht ist. Die Oberfläche der
mikrostrukturierten Schicht kann dabei frei liegen oder ebenfalls
mit der temperaturstabilen Beschichtung versehen sein, so dass sie
vollständig
von dieser Beschichtung umgeben ist. Der letztere Fall stellt eine
besonders stabile Ausbildung eines derartigen Metallemitters dar.
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Als
Materialien für
die diffusionshemmende Schicht kommen sämtliche Dielektrika und Halbleitermaterialien
in Frage, die sich durch die angegebene geringe Abdampfrate bei
hohen Temperaturen auszeichnen. Beispiele für derartige Beschichtungsmaterialien
sind Metalloxide, wie beispielsweise CeO2,
HfO2, ZrO2, Kohlenstoff,
viele Carbide, wie beispielsweise HfC, sowie Boride, wie beispielsweise
BC oder HfB.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung des Metallemitters wird
ein metallischer Grundkörper mit
einer metallischen Oberflächenstruktur
versehen, die in periodischer Anordnung Zwischenräume aufweist, so
dass bei einer Aufheizung des Metallemitters emittierte Strahlung
eine durch die Oberflächenstruktur
beeinflusste Intensitätsverteilung über einen
Wellenlängenbereich
aufweist. In den Zwischenräumen
der metallischen Oberflächenstruktur
und/oder zwischen der Oberflächenstruktur
und dem metallischen Grundkörper wird
eine Beschichtung aus dem temperaturstabilen Material auf den Grundkörper aufgebracht,
das bei einer Temperatur von 900°C,
vorzugsweise von 1000°C
oder darüber,
eine Abdampfrate von weniger als 50 nm pro Jahr aufweist. Die Erzeugung
der metallischen Oberflächenstruktur
kann dabei durch direkte Strukturierung der Oberfläche des
metallischen Grundkörpers
erfolgen, so dass die bereits erwähnte Struktur aus Erhebungen
und Vertiefungen entsteht, bei der die Zwischenräume durch die Vertiefungen
gebildet sind. Die Oberflächenstruktur
kann auch erst nach dem Aufbringen der temperaturstabilen Beschichtung
auf dem Grundkörper auf
diese Beschichtung aufgebracht und entsprechend strukturiert werden,
so dass sie keinen direkten Kontakt zum metallischen Grundkörper aufweist.
Grundstätzlich
kann die Oberflächenstruktur
auch in Form eines so genannten photonischen Kristalls ausgebildet
sein.
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Neben
anderen strukturgebenden Verfahren, wie beispielsweise LIGA, Projektions-
oder Kontaktbelichtungsverfahren, eignet sich zur Erzeugung der
periodischen Strukturen bzw. Gitterstrukturen der Oberflächenstruktur
insbesondere die Interferenzlithografie. Bei dieser relativ kostengünstigen
Technik wird ein Photoresist mit dem Interferenzmuster zweier oder mehrerer
sich überlagernder
kohärenter
Wellenfelder belichtet, wobei sowohl Linien- als auch Kreuzgitter
als Mikrostruktur realisiert werden können. Die mit Hilfe eines derartigen
photolithografischen Verfahrens nach der Belichtung und Entwicklung
des Photoresists erhaltene Mikrostruktur bildet die Ausgangsposition
für die
weiteren Verfahrensschritte. Die Struktur wird durch einen geeigneten Ätzprozess,
wie beispielsweise Plasmaätzen,
in den metallischen Grundkörper übertragen,
wobei die Photoresiststruktur oder eine weitere aus dieser gebildete
Maske als Ätzmaske
dienen kann. Selbstverständlich
lässt sich
die Erzeugung der Struktur auch anderweitig, beispielsweise durch
galvanisches Aufbringen auf einen Metallmaster und anschließendes Abziehen
der aufgebrachten Schicht in Form einer Folie oder durch andere
Verfahren, wie beispielsweise CVD, realisieren.
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Die
Beschichtung mit der temperaturstabilen Schicht kann durch unterschiedliche
Prozesse, wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern,
CVD oder durch Aufschleudern einer Emulsion erfolgen. Eine Erhitzung
des metallischen Grundkörpers
während
der Beschichtung ist dabei nicht erforderlich.
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Der
erfindungsgemäße Metallemitter
lässt sich
insbesondere in der Thermophotovoltaik einsetzen, in der durch Realisierung
sogenannter Low-Bandgap-Zellen die Möglichkeit einer effizienten
Stromerzeugung besteht. Der bevorzugt emittierte Wellenlängenbereich
kann in Abstimmung mit der gewählten
Photovoltaikzelle beim vorliegenden Metallemitter weitgehend frei
gewählt
werden. Er hängt
primär
von den Strukturparametern des Gitters bzw. der Oberflächenstruktur
und von der Beschaffenheit und der Dicke der Beschichtung ab.
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Auch
für den
Einsatz von Gassensoren bietet sich der vorliegende Metallemitter
an. Gassensoren zur Bestimmung der CO2-Konzentration
werden beispielsweise eingesetzt, um eine bedarfsgerechte Frischluftzufuhr
bei beheizten Gebäuden
zu ermöglichen.
Auch im Bereich der Prozesskontrolle in der Getränkeindustrie, der chemischen
Industrie sowie in der Landwirtschaft werden CO2-Konzentrationen überwacht.
Eine derartige Überwachung
kann beispielsweise aus Sicherheitsgründen notwendig sein. Durch
das exakte Einhalten eines für
den Prozess optimalen CO2-Gehalts können manche
Prozesse außerdem
wirtschaftlicher betrieben werden. Ein breiter Einsatz von CO2-Sensoren kann bisher an den hohen Kosten
der Sensoren scheitern, da preiswerte und geeignete IR-Strahlungsquellen,
die bei der in der Regel erforlderlichen Wellenlänge von 4,3 μm emittieren,
kaum erhältlich
sind. Replizierte mikrostrukturierte Metallemitter gemäß der vorliegenden
Erfindung stellen eine Möglichkeit
dar, relativ kostengünstige,
schmalbandige und stabile Emitter für derartige CO2-Sensoren zu realisieren.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein
Profil eines eindimensional strukturierten Metallemitters des Standes
der Technik vor und nach einer längeren
thermischen Behandlung;
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2 ein
Profil eines eindimensional strukturierten Metallemitters mit einer
erfindungsgemäß aufgebrachten
diffusionshemmenden Beschichtung;
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3 schematisch
mehrere Ausgestaltungsvarianten des vorliegenden Metallemitters
in Querschnittsansicht;
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4 beispielhafte
Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Metallemitters;
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5 die
Gestalt eines eindimensional strukturierten Metallemitters nach
einer längeren
Wärmebehandlung;
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6 die
Struktur eines zweidimensional strukturierten Metallemitters vor
und nach einer Wärmebehandlung;
und
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7 ein
Vergleich der Reflexionsspektren eines erfindungsgemäßen Metallemitters
und einer planen Referenzprobe.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
ein Beispiel eines eindimensional strukturierten Metallemitters
im linken Teil der Figur, bei dem die Oberflächenstruktur 2 direkt
mit dem metal lischen Grundkörper 1 verbunden
ist. Die metallische Oberflächenstruktur 2 ist
dabei in der Oberfläche
des metallischen Grundkörpers 1 ausgebildet
und besteht aus parallelen Stegen als Erhebungen 2b, zwischen
denen Zwischenräume 2a Vertiefungen
bilden. Durch eine geeignete Wahl der Strukturtiefe und Periode
dieser Oberflächenstruktur
lässt sich
das Emissionsspektrum des Metallemitters gezielt beeinflussen. Im
dargestellten Beispiel ist eine Periode von etwa 1,4 μm für die Oberflächenstruktur
gewählt.
Das Bild repräsentiert
einen Metallemitter, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Im
Vergleich dazu ist im rechten Teil der Figur ein Bild des gleichen
Metallemitters nach einer Glühzeit von
32 Stunden bei einer Temperatur von 1200°C im Vakuum zu erkennen. Eine
derartige Temperatur entspricht in etwa der Betriebstemperatur des
Metallemitters. In der Figur ist die Zerstörung der Oberflächenstruktur
deutlich zu erkennen. Das Profil ist fast vollständig zerstört, so dass auch die gewünschte Beeinflussung des
Emissionsspektrums nicht mehr auftritt.
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Um
die Langzeitstabilität
eines derartigen Metallemitters zu erhöhen, wird beim Metallemitter
der vorliegenden Erfindung eine diffusionshemmende Beschichtung 3 zumindest
in die Zwischenräume 2a der
Oberflächenstruktur 2 oder
zwischen den metallischen Grundkörper 1 und
die Oberflächenstruktur 2 gebracht. 2 zeigt
ein Beispiel für
eine derartige Ausgestaltung, in der das Profil eines eindimensional
strukturierten Wolfram-Emitters mit einer 50 nm dicken aufgedampften
Hafniumdioxidschicht als temperatur stabile Beschichtung 3 dargestellt
ist. Die Figur zeigt lediglich einen Ausschnitt aus einer Vertiefung
bzw. einem Zwischenraum 2a zwischen zwei Erhebungen 2b der
Oberflächenstruktur 2.
Sowohl die ebenen Areale als auch die Flanken der Struktur sind
in diesem Beispiel von der dielektrischen Beschichtung 3 bedeckt.
Die Beschichtung kann hierbei ohne spezifische Anforderungen an
die Isotropie des Vorgangs erfolgen. Wichtig für die Beschichtung ist, dass
die periodische Mikrostruktur danach zumindest auf den horizontal
verlaufenden Strukturarealen eine geschlossene Bedeckung durch die
Beschichtung 3 aufweist.
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3 zeigt
unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten des vorliegenden Metallemitters.
Die Teilabbildungen a bis c zeigen hierbei Ausgestaltungen, bei
denen die Oberflächenstruktur 2 direkt
mit dem metallischen Grundkörper 1 verbunden
ist. Bei diesen Ausgestaltungen kann die diffusionshemmende Beschichtung 3 beispielsweise
nur in den Zwischenräumen 2a bzw.
Vertiefungen ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung sind die
Vertiefungen vorzugsweise nahezu vollständig mit der Beschichtung 3 aufgefüllt (3b).
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In
einer anderen Variante, wie sie in 3a dargestellt
ist, ist die Beschichtung 3 lediglich auf den horizontalen
Strukturbereichen, d.h. auf den Erhebungen 2b und im Bodenbereich
der Vertiefungen vorgesehen. Die Schicht ist hierbei dünner ausgestaltet
als bei der Ausgestaltungsvariante der 3b.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die gesamte Oberflächenstruktur
mit der diffusionshemmenden Beschichtung 3 zusammenhängend überdeckt,
wie dies durch die 3c veranschaulicht
ist.
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In
einer anderen Ausgestaltung des vorliegenden Metallemitters ist
die metallische Oberflächenstruktur 2 getrennt
vom metallischen Grundkörper 1 ausgebildet.
Diese Ausgestaltung ist durch die 3d und 3e angedeutet. Die metallische Oberflächenstruktur 2 wird
hierbei durch eine gesonderte Schicht gebildet, die auf der diffusionshemmenden
Beschichtung 3 aufgebracht oder in diese eingebettet ist
(3d). Bei der Herstellung eines derartigen
Metallemitters wird daher zunächst
die diffusionshemmende Beschichtung 3 auf den metallischen
Grundkörper 1 und
anschließend
eine metallische Struktur auf die diffusionshemmende Beschichtung 3 aufgebracht,
so dass die in 3d dargestellte Ausgestaltung
erhalten wird.
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Bei
der Ausgestaltung der 3e wird die
Oberflächenstruktur 2,
die auch durch einen photonischen Kristall gebildet sein kann, völlig von
der Beschichtung 3 umschlossen.
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4 zeigt
beispielhaft verschiedene Verfahrensschritte zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Metallemitters.
Zunächst
wird auf einen metallischen Grundkörper 1 aus Wolfram
eine Photoresistschicht 4 aufgebracht und mit einem Interferenz-Lithografie-Verfahren belichtet
(4a). Anschließend wird die Photoresistschicht 4 entwickelt,
so dass eine Photoresistmaske 5 auf dem metallischen Grundkörper 1 zurückbleibt, die
die Periode der zu erzeugenden Oberflächenstruktur vorgibt (4b). Diese Photo resistmaske 5 wird
mit einer ätzselektiven
Maske, im vorliegenden Fall aus Chrom, für einen anschließenden Plasmaätzprozess
präpariert
(4c). Nach dem Lift-Off der Photoresiststruktur 5 bleibt
die Ätzmaske 6 als
Negativbild der Resiststruktur auf dem Grundkörper 1 zurück (4d). Durch Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen, beispielsweise
mit SF6, wird die periodische Struktur in
die Oberfläche
des Grundkörpers 1 übertragen.
Nach der Entfernung der Ätzmaske 6 liegt
ein herkömmlicher
selektiver Metallemitter, bestehend aus dem metallischen Grundkörper 1 mit
der darauf aufgebrachten metallischen Oberflächenstruktur 2 vor
(4e). Auf diese Oberflächenstruktur 2 wird
schließlich
durch Elektronenstrahlverdampfung eine diffusionshemmende Beschichtung 3 aus HfO2 ganzflächig
aufgebracht, so dass sowohl die Erhebungen als auch die Vertiefungen
der Oberflächenstruktur 2 bedeckt
sind (4f). Nach diesem Verfahrensschritt
ist der Herstellungsprozes für
den erfindungsgemäßen Metallemitter
beendet, der eine Struktur aufweist, wie sie bereits in der 2 dargestellt
wurde.
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5 zeigt
ein Beispiel für
eine derart hergestellte Oberflächenstruktur
eines Metallemitters, die anschließend einer Temperatur von 1200°C für 186 Stunden
im Vakuum ausgesetzt wurde. Die dünne aufgebrachte Schicht 3 kristallisiert
dabei aus und es bildet sich eine Granulatstruktur. Nach dieser
primären
Veränderung
stellt sich jedoch ein stabiler Zustand ein. Es findet keine feststellbare
Zerstörung
des vorhandenen Oberflächenreliefs
mehr statt. Lediglich das beschichtete Material an den senkrechten
Flanken der Strukturlamellen wandert in die Strukturgräben hinein
und bildet dort die typische beobachtete Granulatstruktur. Durch die
Beibehaltung der Grundstruktur der Oberfläche wird jedoch auch nach dieser
langen Betriebszeit noch immer die gewünschte Beeinflussung des Emissionsspektrums
erreicht.
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6 zeigt
schließlich
ein Beispiel eines zweidimensional strukturierten Wolframemitters
im Originalzustand (in der linken Teilabbildung in Draufsicht) und
nach dem Beschichten mit einer 25 nm dicken diffusionshemmenden
Schicht 3 aus HfO2 und einem 176
ständigen
Glühen
bei 1200°C
im Vakuum. Auch hierbei ist einerseits die gebildete Granulatstruktur
der Beschichtung 3 zu erkennen und andererseits, dass sich
die Oberflächenstruktur
hierdurch nicht verändert
hat.
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7 zeigt
schließlich
gemessene Reflexionsspektren einer derartigen Struktur für TM- und
TE-Polarisation
in ungetempertem Zustand, nach einer Temperungszeit von 24 Stunden
bei 1200°C
sowie nach einer Temperungszeit von 176 Stunden bei 1200°C im Vergleich
zu einem planen Referenzkörper.
Aus der Figur ist einerseits die deutliche Veränderung des Reflexionsspektrums
eines Metallemitters mit einer mikrostrukturierten Oberfläche im Vergleich
zu einer planen Referenzprobe zu erkennen. Andererseits wird durch
diese Messung deutlich, dass sich die Emissionseigenschaften bzw.
die Emissionsspektren des selektiven Metallemitters auch nach der
langen Temperungszeit relativ zur planen Referenzprobe nur unwesentlich ändern. Der
hierbei vermessene Metallemitter weist somit eine große Langzeitstabilität auf.
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