DE19951375A1 - Glasartiger anorganischer Festkörper, Verfahren zur Herstellung eines solchen Festkörpers und dessen Verwendung - Google Patents
Glasartiger anorganischer Festkörper, Verfahren zur Herstellung eines solchen Festkörpers und dessen VerwendungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen glasartigen anorganischen Festkörper, der glasklar, d. h. im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent und annähernd farblos, ist und der die Elemente Silicium, Kohlenstoff und Sauerstoff enthält. Das molare Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff liegt dabei zwischen 1 : 1,5 und 1 : 2 und der Gehalt an Kohlenstoff beträgt maximal 50 Mol-%. DOLLAR A Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines glasartigen anorganischen Festkörpers, bei dem als Edukte Silicium, Sauerstoff und Kohlenstoff und/oder eine oder mehrere Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs jeweils in gasförmiger sowie atomarer und/oder molekularer Form verwendet bzw. von einer oder mehreren Quellen erzeugt werden. Die gasförmigen Edukte werden gleichzeitig auf ein Substrat gerichtet und reagieren noch in der Gasphase bzw. beim Kondensieren auf dem Substrat. Der im Normzustand feste Anteil der Reaktionsprodukte, der im Wesentlichen aus den Elementen Kohlenstoff, Silicium und Sauerstoff besteht und dem glasartigen anorganischen Festkörper entspricht, wird auf dem Substrat aufkondensiert, während die nicht abgeschiedenen gasförmigen Reaktionsprodukte aus dem Reaktionsraum entfernt werden. DOLLAR A Ferner werden Verwendungen des glasartigen anorganischen Festkörpers beschrieben.
Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein glasartiger anorganischer Festkörper, der
glasklar, d. h. im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent und farblos, ist und der
Silicium, Kohlenstoff und Sauerstoff enthält sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Festkörpers und dessen Verwendungen.
Es ist bekannt, dass die Bildungsenthalpie des aus Silicium und Sauerstoff gebildeten
Quarzglases (-848 kJ/mol bei T = 298 K) nur geringfügig von der Bildungsenthalpie des
Quarzes (-860 kJ/mol bei T = 298 K) abweicht. Demzufolge ist Quarzglas kristallisations
gefährdet, wobei das Kristallisieren zum Schrumpfen und Aufbrechen der amorphen glas
artigen Struktur des Quarzglases führt. Dies gilt besonderes in der Beschichtungstechno
logie für SiO2-Schichten.
Zur Vermeidung der Kristallisation einer amorph aufkondensierten SiO2-Schicht werden
daher dem Rohstoff, also dem Aufdampfgut, Fremdverbindungen oder -elemente zuge
setzt, die den Glaszustand stabilisieren, z. B. EP 0 460 796. Diese Zugabe ist jedoch mit
einem aufwendigen Verfahren und in vielen Fällen auch mit unerwünschter Lichtabsorp
tion verbunden (vgl. G. I. Deàk, S. C. Jackson, "Mylar Polyester Films with Inorganic Glass
Coatings", Society of Vacuum Coaters, 36th Annual Technical Conference Proceedings
(1993), 318).
Alternativ wird daher zur Vermeidung der Kristallisation der Sauerstoffgehalt einer im
Vakuum aufgedampften Schicht aus Silicium und Sauerstoff herabgesetzt. Hierdurch wird
anstelle der amorphen SiO2-Schicht eine solche aus Siliciummonoxid oder -sesquioxid
oder aus SiO1,7 aufkondensiert. Diese Schichten sind verglichen mit der SiO2-Schicht
thermisch desto stabiler je geringer der Sauerstoffgehalt ist. Ein großer Nachteil dieser
Schichten ist jedoch, dass sie stark bis mäßig stark gelbstichig sind, wobei die Gelbstichig
keit mit abnehmendem Sauerstoffgehalt zunimmt. Ferner ist insbesondere Silicium
monoxid als Ausgangsmaterial für Beschichtungen sehr teuer.
Weiterhin ist bekannt, dass durch Plasmapolymerisation verschiedener Kohlenwasser
stoffe, die gegebenenfalls geringe zusätzliche Anteile an Silicium und Sauerstoff enthalten,
annähernd glasklare, aber verhältnismäßig weiche dünne Schichten erzeugt werden
können. Diese kohlenstoffhaltigen Plasmapolymerisate haften an den meisten Substraten
nicht so gut wie SiOx-Schichten. Auch weisen entsprechende Polymerisate häufig Verun
reinigungen von Wasserstoff auf. Durch eine Ionenbestrahlung kann der eingelagerte Was
serstoff zwar entfernt und damit die Härte gesteigert werden. Verbunden mit dem Verlust
des Wasserstoffs tritt jedoch ein meist unerwünschter Gelbstich der entsprechenden
Schichten auf. Ferner ist die Herstellung der kohlenstoffhaltigen Plasmapolymerisat-
Schichten sehr aufwendig, so dass sie sich nur in besonderen Anwendungen durchsetzen
konnte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen glasartigen anorganischen Fest
körper bereit zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Ferner
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur
Herstellung eines solchen Festkörpers zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll es
ermöglicht werden, die neuen Festkörper in bereits bestehenden Anlagen zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Haupt
anspruchs und der nebengeordneten Ansprüche gelöst.
Der erfindungsgemäße anorganische Festkörper ist glasartig, d. h. er ist aus einem drei
dimensionalen Netzwerk ohne kristalline Fernordnung aufgebaut. Er zeichnet sich dadurch
aus, dass er im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent und annähernd farblos ist, d. h.
er ist glasklar und weist im sichtbaren Wellenlängenbereich so gut wie keine Absorption
auf. Weiterhin ist er im Wesentlichen aus den Elementen Kohlenstoff, Silicium und
Sauerstoff aufgebaut. Dabei liegen im erfindungsgemäßen Festkörper 1,5- bis 2-mal so
viele Sauerstoff wie Siliciumatome vor. Des Weiteren ist die Zahl der Kohlenstoffatome
in sehr weiten Grenzen variierbar, jedoch beträgt der Gehalt an Kohlenstoff maximal
50 Mol-%. Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Festkörper auch als Carbosilicat
bezeichnet.
Durch den zusätzlichen bzw. ersetzenden Einbau von Kohlenstoffatomen verglichen mit
den aus dem Stand der Technik bekannten, aus Silicium und Sauerstoff bestehenden glas
artigen anorganischen Festkörpern wird die Lichtabsorption verringert und damit die Gelb
färbung beseitigt. Dadurch wird eine vollständige Lichttransmission ermöglicht; es liegt
also ein im sichtbaren Wellenlängenbereich transparenter und farbloser Festkörper vor.
Vorteilhafterweise wird die zu der gelblichen Färbung führende Lichtabsorption von
amorphem SiOx bereits durch die Anwesenheit geringer Mengen an Kohlenstoffatomen
reduziert bzw. beseitigt, beispielsweise liegt bereits ein glasklarer Festkörper vor, wenn nur
0,3 Mol-% Kohlenstoffatome bezogen auf die gesamte Anzahl der Atome des Carbo
silicates vorhanden sind. Des Weiteren wird vorteilhafterweise durch das zusätzliche
Vorhandensein von Kohlenstoffatomen im Festkörper die Gefahr einer Kristallisation von
amorphem Siliciumoxid deutlich vermindert bzw. gebannt.
Physikalische und chemische Eigenschaften des erfindungsgemäßen Festkörpers sind in
gewissen Grenzen variierbar. Hierzu gehören z. B. Härte, Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit,
Brechungsindex, Dielektrizitätskonstante, dielelektrischer Verlustfaktor, elektrische Leit
fähigkeit, Wärmeleitung, Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, etc. Diese Eigen
schaften können durch den Gehalt an Kohlenstoff im Carbosilicat, der erfindungsgemäß
sehr stark variierbar ist, gesteuert werden und sind daneben ebenfalls vom Gehalt des
Siliciums und des Sauerstoffs abhängig. Beispielsweise können durch eine deutliche
Steigerung des Gehaltes an Kohlenstoff Brechungsindex und Härte des erfindungsgemäßen
glasartigen Carbosilicates markant vergrößert werden.
Vorzugsweise besteht das erfindungsgemäße Carbosilicat aus einem Netzwerk von
Silicium-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen oder aus einer Matrix von Silicium- und
Sauerstoffatomen mit eingelagerten Kohlenstoffatomen. Das Netzwerk bzw. die Matrix ist
amorph. Die Kohlenstoffatome sind bevorzugt - vermutlich als anorganische Kohlenstoff-
Polymereinheiten - mit der Koordinationszahl 4 in das Netzwerk bzw. in die Matrix einge
baut. Nach derzeitigen Erkenntnissen bestehen diese anorganischen Kohlenstoff-Polymer
einheiten aus diamantartigen kleinen Kohlenstoffkristalliten. Die Kohlenstoffatome
besitzen amphoteren (intermediären), d. h. sowohl netzwerkbildenden wie -wandelnden,
Charakter; sie können folglich sowohl zum Aufbau des Silicium-Sauerstoff-Netzwerkes
beitragen wie auch zusätzlich zu vorhandenen Atomen in das Silicium-Sauerstoff-Netz
werk eingebaut werden und dieses aufspalten. Den bisherigen Untersuchungen zufolge tritt
der Kohlenstoff in den kristallinen Mikrobereichen mit der diamanttypischen Koordina
tionszahl 4 auf, also mit der gleichen Koordinationszahl, die für Silicium in amorphen
Silicium-Sauerstoff-Matrizen beobachtet wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält der erfindungsgemäße Festkörper neben den
Elementen Kohlenstoff, Silicium und Sauerstoff noch mindestens ein zusätzliches, im
Normzustand festes Metall, wobei das Metall vorteilhafterweise einen katalytischen
Einfluss auf die Bildung des erfindungsgemäßen Carbosilicates hat. In der Regel handelt es
sich bei den vorhandenen Metallen um eine Dotierung. Der erfindungsgemäße Festkörper
enthält somit insbesondere Metalle in elementarer oder oxidischer Form. Besonders
bevorzugt ist eine Dotierung mit Übergangsmetallen oder mit Aluminium(III) vorgesehen,
beispielsweise mit Molybdän(VI), Cer(IV), Chrom(III), Cobalt(II)-chromit, Nickel(II) etc.
Daneben kann der erfindungsgemäße Festkörper auch geringe Mengen bzw. Spuren
zusätzlicher, im Normzustand gasförmiger Elemente, beispielsweise Wasserstoff oder
Stickstoff, enthalten.
Für die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Festkörpers gelten allgemein die
folgenden Aussagen: die Anzahl der im Normzustand gasförmigen Sauerstoffatome ist 1,5
bis 2 mal so groß wie die Anzahl der im Normzustand festen Siliciumatome; des Weiteren
ist die Anzahl der im Normzustand festen Kohlenstoffatome höchstens gleich der Summe
von Sauerstoff- und Siliciumatomen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine Ausführungs
form besonders bevorzugt ist, bei der im erfindungsgemäßen Carbosilicat der Anteil der
Elemente, die im Normzustand fest sind, mindestens 40 Mol-% beträgt.
Das molare Verhältnis von Sauerstoff zu Silicium liegt im erfindungsgemäßen Festkörper
zwischen 1,5 : 1 und 2 : 1, d. h. zwischen dem molaren Verhältnis im Siliciumsesquioxid und
demjenigen im Siliciumdioxid. In einer bevorzugten Ausführungsform des Festkörpers
liegt dieses Verhältnis zwischen 1,6 : 1 und 1,9 : 1. Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis
von Sauerstoff zu Silicium zwischen 1,7 : 1 und 1,8 : 1.
Weiterhin beträgt der Gehalt an Kohlenstoff im erfindungsgemäßen Carbosilicat maximal
50 Mol-%. Bevorzugt sind erfindungsgemäße Festkörper, bei denen der Gehalt an Kohlen
stoff zwischen 0,4 und 40 Mol-%, insbesondere zwischen 4 und 30 Mol-% liegt.
Grundsätzlich können für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Carbosilicates ver
schiedene Verfahren zur Herstellung derartiger Festkörper verwendet werden. Vorzugs
weise wird der glasartige anorganische Festkörper mit Hilfe eines speziellen Vakuum
beschichtungsverfahrens (PVD-Verfahrens) hergestellt, bei dem ein festes Aufdampfgut
sublimiert wird und bei dem gasförmige Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindungen in situ
erzeugt werden und bei dem es vor und/oder während des Kondensierens des erfindungs
gemäßen Festkörpers auf einem Substrat zu chemischen Reaktionen der gasförmigen
Substanzen kommt (Vakuumaufsublimierverfahren). Alternative Verfahrenstechniken sind
beispielsweise das Aufdampfen aus der Schmelze und das Sputtern (Aufstäuben). Das
Aufsublimierverfahren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich um Aufdampf
quellen handelt, die in beliebiger Richtung angeordnet sind und die zur schnellen Her
stellung des erfindungsgemäßen Festkörpers auch mit hohen Dampfdrücken in der
Größenordnung von 1 mbar oder mehr betrieben werden können.
Bei dem erfindungsgemäß bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines glasartigen
anorganischen Festkörpers werden Silicium, Sauerstoff und Kohlenstoff und/oder eine oder
mehrere Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs als Edukte verwendet. Die Edukte sind
jeweils atomar und/oder molekular sowie gasförmig. Alternativ können die gasförmigen
Edukte von einer oder mehreren Quellen erzeugt werden. Derartige Quellen können
beispielsweise Aufdampfgüter, Heizkörper, Tiegelmaterialien etc. sein. Die Strahlen dieser
gasförmigen Edukte werden gleichzeitig auf ein Substrat gerichtet, auf dem das
erfindungsgemäße Carbosilicat abgeschieden wird. Als Substrat wird ein beliebiger Fest
körper verwendet, der beispielsweise aus Glas, Kunststoff, Metall, Halbleiter, etc. sein
kann. Die Edukte reagieren im gasförmigen Zustand aufgrund ihrer Energie noch in der
Gasphase bzw. beim Kondensieren auf dem Substrat. Gegebenenfalls kann die chemische
Reaktion der Edukte aufgrund ausreichender Wärme - zumindest teilweise - bereits im
Aufdampfgut erfolgen. Der im Normzustand feste Anteil der Reaktionsprodukte, der die
Elemente Kohlenstoff, Silicium und Sauerstoff enthält und dem glasartigen anorgansichen
Festkörper entspricht, wird auf dem Substrat aufkondensiert, während die nicht abge
schiedenen gasförmigen Reaktionsprodukte aus dem Reaktionsraum entfernt werden.
Der im Normzustand feste Anteil der Reaktionsprodukte kondensiert bevorzugt als amor
phes Netzwerk, bestehend aus den Silicium- und Sauerstoffatomen, in das die Kohlenstoff
atome eingebaut sind, auf.
Das Verfahren zur Herstellung eins Carbosilicates kann in jeder beliebigen Anlage, die die
genannten Verfahrensschritte ermöglicht, durchgeführt werden. Vorzugsweise verwendet
man jedoch eine PVD-Anlage, insbesondere eine statische PVD-Anlage oder eine nach
dem PVD-Verfahren arbeitende Bandbedampfungsanlage, oder aber eine Sputter-Anlage.
Siliciumdioxid besitzt eine größerer negative Bildungsenergie als die Siliciumsuboxide, so
dass letztere eine hohe Oxidationsbereitschaft zeigen. Nach den derzeitigen Erkenntnissen
führt die hohe Oxidationsbereitschaft sowohl von Silicium wie auch von Siliciumsub
oxiden dazu, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gasförmiges Silicium bzw. seine
gasförmigen Suboxide den ebenfalls im Reaktionsraum vorhandenen Kohlenstoff-Sauer
stoff-Verbindungen den Sauerstoff entreißen und sich in Form eines amorphen Silicium-
Sauerstoff-Netzwerkes auf dem Substrat abscheiden. Dabei liegt das molare Verhältnis von
Sauerstoff zu Silicium zwischen 1,5 : 1 und 2 : 1. Gleichzeitig wird der aus seiner Sauerstoff
verbindung freigesetzte Kohlenstoff vermutlich mit tetraedrischer Umgebung und/oder in
Form von diamantähnlichen Kristalliten in das Silicium-Sauerstoff-Netzwerk eingebaut.
Zusätzlich wird nach derzeitigen Untersuchungen auch solcher Kohlenstoff in den
erfindungsgemäßen Festkörper eingebaut, der durch Disproportionierung von gasförmigen
Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindung in CO2 und C freigesetzt wird.
Als gasförmige Sauerstoffverbindung des Kohlenstoffs ist grundsätzlich jede bekannte
Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindung geeignet. Kohlenmonoxid (CO) und/oder Kohlen
suboxid (C3O2) werden jedoch bevorzugt. Durch Disproportionierung bzw. Spaltung dieser
Verbindungen entstehen u. a. Kohlenstoff sowie gegebenenfalls Sauerstoff. Beide können
dann im Folgenden als hochreaktive Substanzen in den glasartigen Festkörper eingebaut
werden. Diese Disproportionierung und/oder Spaltung wird vermutlich durch das ent
stehende Kondensat und hier besonders durch das Silicium-Sauerstoff-Netzwerk begüns
tigt, d. h. nach den derzeitigen Erkenntnissen wirkt der kondensierende Festkörper kataly
tisch auf die Bildung von weiterem Carbosilicat (Autokatalyse).
Die für die Reaktion benötigte gasförmige Sauerstoffverbindung des Kohlenstoffs kann
dem Reaktionsraum direkt zugeführt werden. Bevorzugt wird sie jedoch in situ, d. h. in der
Vakuumanlage, von einer festen, flüssigen oder gasförmigen Substanz erzeugt, die ent
weder eine Modifikation des Kohlenstoffs, insbesondere Graphit, oder eine Kohlenstoff
enthaltende Verbindung enthält. Als Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen kommen
hierbei beispielsweise Peche, Öle, insbesondere schwere Öle, Kunstharze wie beispiels
weise Phenolharze etc. in Betracht.
Nach den derzeitigen Erkenntnissen wird u. a. die kinetische Energie einer in situ erzeugten
gasförmigen Kohlenstoffverbindung zur Bildung der diamantartigen Kohlenstoffkristallite
im erfindungsgemäßen Carbosilicat benutzt. Bekannt ist, dass die Dissoziationsenergie von
Kohlenmonoxid in C und O 1,070 MJ/Mol (= 11 eV) beträgt. Beim umgekehrten Vorgang,
also der exothermen Bildung von CO aus Sauerstoff und heißem Kohlenstoff im Hoch
vakuum, wird diese Energie freigesetzt. Wird nun in einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens molekularer und/oder atomarer Sauerstoff an elementarem
Kohlenstoff vorbeigeführt, der auf mindestens 900°C erwärmt ist, so wird unter
exothermer Reaktion ein Gas erzeugt, das aus CO besteht oder hauptsächlich CO enthält.
Es wird daher vermutet, dass ein großer Teil der bei der Bildung von CO freiwerdenden
Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Auf diese Weise kann das gebildete CO
die Funktion eines in situ erzeugten, energiereichen Molekularstrahles übernehmen, der auf
das sich bildende erfindungsgemäße Kondensat gerichtet ist und der im abgeschiedenen
Kondensat - zumindest teilweise - die Bildung sowie den Einbau von diamantartigen
Kohlenstoffkristalliten verursacht bzw. ermöglicht.
Erfindungsgemäß können für die Herstellung eines Carbosilicates gasförmiges Silicium
und Sauerstoff in atomarer bzw. in jeder bekannten molekularen Form verwendet werden.
Vorzugsweise werden eine oder mehrere gasförmige Silicium-Sauerstoff-Verbindungen
sowie gegebenenfalls gasförmiges Silicium gleichzeitig mit einer oder mehreren gasför
migen Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs zur Reaktion gebracht. Beispiele für
solche erfindungsgemäße Silicium-Sauerstoff-Verbindungen sind Siliciummonoxid,
Siliciumdioxid und Siliciumsesquioxid. Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn gleich
zeitig als Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindung Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid
verwendet wird.
Erfindungsgemäß können die in gasförmiger sowie atomarer und/oder molekularer Form
verwendeten Edukte, Silicium, Sauerstoff und Kohlenstoff bzw. eine oder mehrere
Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs, auch vom einem oder mehreren Quellen in situ
erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden als
derartige Quellen Aufdampfgüter eingesetzt, die feste Sauerstoffverbindungen des
Siliciums und/oder eine Mischung aus Silicium und Siliciumdioxid sowie Kohlenstoff
und/oder eine feste Kohlenstoff enthaltende Verbindung enthalten. Besonders bevorzugt
als Silicium-Sauerstoff-Verbindungen sind sind in diesem Fall SiO2 und/oder SiO.
Die an der Reaktion teilnehmenden Elemente und/oder Verbindungen können erfindungs
gemäß von einer oder mehreren einzelnen Quellen, beispielsweise Aufdampfgütern,
Verdampferwand, Strahlungsheizkörper etc., erzeugt werden. In einer besonders bevor
zugten und preisgünstigen Ausführungsform werden alle an der Reaktion teilnehmenden
und im Normzustand festen Elemente und/oder Verbindungen von demselben Aufdampf
gut erzeugt.
Das Molverhältnis von Kohlenstoff zu Silicium kann in den erfindungsgemäß verwendeten
Edukten in sehr weiten Bereichen variiert werden. Vorzugsweise werden die gasförmigen
Kohlenstoff- und Silicium enthaltenden Edukte von solchen Quellen erzeugt, in denen das
Molverhältnis von Kohlenstoff und/oder von Kohlenstoff in den Kohlenstoff enthaltenden
Verbindungen zu Silicium und/oder den Silicium enthaltenden Verbindungen zwischen
0,01 : 1 und 1 : 1, insbesondere zwischen 0,1 : 1 und 1 : 1, liegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
einem der Aufdampfgüter zusätzlich ein im Normzustand festes Metall, insbesondere ein
Übergangsmetall, in elementarer Form oder als Verbindung zuzugeben. Dieser Zusatz zum
Aufdampfgut wirkt nach den derzeitigen Erkenntnissen katalytisch auf die Bildung des
erfindungsgemäßen Festkörpers. Erfindungsgemäß kann der Zusatz bis zu 15 Gew.-% der
eingesetzten Aufdampfgüter betragen. Beispiele für derartige zuzusetzende Übergangs
metalle sind Molybdän, Chrom und/oder Cer, aber auch Aluminium oder Magnesium, die
beispielsweise in Form von elementarem Molybdän oder in Form einer Sauerstoff abspal
tenden Verbindung, wie z. B. Cr2O3 oder CeO2, zugesetzt werden können.
Die erfindungsgemäß verwendeten Aufdampfgüter können nach allen aus dem Stand der
Technik bekannten Verfahren hergestellt werden. In einer bevorzugten Variante werden
SiO2 und/oder eine andere Sauerstoffverbindung des Siliciums sowie gegebenenfalls
elementares Silicium mit einem Kohlenstoff enthaltenden Binder oder Imprägnierungs
mittel gemischt. Derartige Kohlenstoff enthaltende Substanzen können beispielsweise
Peche, Öle, insbesondere schwere Öle, Kunstharze wie beispielsweise Phenolharze etc.
sein. Diese Mischung wird durch Giessen, Pressen oder ein anderes bekanntes Verfahren in
eine geeignete Form gebracht und anschließend zu dem erfindungsgemäß zu verwendenden
Aufdampfgut verkokst.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der anorganische glasartige Festkörper nach
seiner Bildung auf dem Substrat mit Hilfe von Methoden, wie sie nach dem Stand der
Technik bekannt sind, vom Substrat getrennt. Als hierfür geeignete Substrate werden
Formkörper, beispielsweise in Hohlkörperform, verwendet, die z. B. aus niedrigschmelzen
den Metallen (z. B. Zinn, Zink, Blei etc.) oder aus ihren niedrigschmelzenden Legierungen
(z. B. 60 GT SN/40 GT Pb) oder aus in organischen oder wässerigen Lösungsmitteln
löslichen organischen Verbindungen (z. B. PET, Polystyrol, Montanwachse, etc.) oder
anorganischen Verbindungen (z. B. NaCl, NaF, etc.) bestehen. Nach den erfindungs
gemäßen Aufkondensieren des erfindungsgemäßen Carbosilicates wird das Substrat nach
bekannten Verfahren, z. B. Verflüssigung, Abätzen oder Auflösen des Substrates, von dem
glasklaren Festkörper abgetrennt.
Die erfindungsgemäßen Carbosilicate weisen vorteilhafterweise eine thermische Stabilität
des amorphen Zustandes aus, die derjenigen von Bleiglas vergleichbar ist und die damit
deutlich über derjenigen bekannter Silicium-Sauerstoff-Netzwerke liegt. Diese hohe
thermische Stabilität kommt vermutlich aufgrund der niedrigen Koordinationszahl 4 der
beiden Festkörperkomponenten Kohlenstoff und Silicium zustande. Wegen der hohen
thermischen Stabilität und des Einbaus von Kohlenstoffatomen in das Netzwerk besteht für
die erfindungsgemäßen Festkörper ferner nicht die Gefahr einer Kristallisation der
amorphen Sauerstoff-Silicium-Verbindung.
Besonders vorteilhaft erweist sich des Weiteren die hervorragende Lichtdurchlässigkeit im
sichtbaren Wellenlängenbereich und die geringe bzw. fehlende Absorption der erfindungs
gemäßen glasartigen Festkörper. Diese vorteilhaften Eigenschaften bleiben auch bei drei
dimensionalen Körpern bzw. bei solchen Wand- und Schichtstärken erhalten, die deutlich
über denen in der Dünnschicht-Technologie üblichen liegen.
Die erfindungsgemäßen Carbosilicate können mit Hilfe einfacher Vorrichtungen,
beispielsweise in üblichen PVD-Anlagen, und aus sehr preisgünstigen Ausgangsstoffen,
wie z. B. Graphit und Quarzsand, hergestellt werden. Dies ist insbesondere im Vergleich zu
den nach dem Stand der Technik bekannten glasklaren Schichten von Vorteil. Ferner
enthalten die erfindungsgemäßen Carbosilicate keine oder kaum Verunreinigungen von
Wasserstoff und benötigen daher keine Ionenbestrahlung zur Steigerung ihrer Härte wie
dies für Kohlenstoff enthaltende Plasmapolymerisat-Schichten der Fall ist.
Die erfindungsgemäßen glasartigen Festkörper weisen keine Movchan-Demchishin-Nadel
struktur auf, die auf einen kristallinen Zustand bzw. kristalline Bereiche des amorphen
Sauerstoff-Silicium-Netzwerkes hinweisen würde. Statt dessen haben die Carbosilicate
spiegelglatte Oberflächen und sehr gute Elastizitätseigenschaften.
Wichtige Eigenschaften des erfindungsgemäßen Festkörpers, wie z. B. Brechungsindex,
Härte, etc., können vorteilhafterweise durch eine Änderung der Zusammensetzung, ins
besondere durch Änderung des Kohlenstoffgehaltes, variiert werden. Besonders vorteilhaft
ist dabei die Möglichkeit, dass die Zusammensetzung auch kontinuierlich während der
Herstellung des Carbosilicates verändert werden kann, so dass glasartige Festkörper
beispielsweise mit verlaufendem, progressiv erhöhtem oder erniedrigtem Brechungsindex
erfindungsgemäß hergestellt werden können.
Der erfindungsgemäße transparente und vorzugsweise farblose Festkörper eignet sich
hervorragend für diverse bereits bekannte Anwendungen glasartiger anorganischer
Schichten. Darüber hinaus erschließen sich dem Festkörper auch neue Anwendungsgebiete,
die bisher Silicium-Sauerstoff-Verbindungen verschlossen waren.
Das erfindungsgemäße Carbosilicat eignet sich hervorragend für verschiedenste Sub
stanzen als chemisch widerstandsfähige Schutzschicht, die außerdem - insbesondere bei
hohem Kohlenstoffgehalt - sehr abriebfest und hart ist. Beispielsweise kann eine Schicht
aus erfindungsgemäßem Carbosilicat als Korrosionsschutz verwendet werden. Produkte
des täglichen Gebrauchs, die durch eine Schicht aus dem erfindungsgemäßen Carbosilicat
geschützt werden können, sind z. B. Gegenstände mit kratzergefährdeten Glasoberflächen,
Uhrengehäuse, Displays, vorderseitig metallisierte Spiegel, Essbesteck, Gegenstände aus
Silber etc. Daneben können auch industriell benutzte Gegenstände durch Schutzschichten
aus dem erfindungsgemäßen Festkörper geschützt werden. Besonders gut geeignet ist das
erfindungsgemäße Carbosilicat als billige Schutzschicht für Substanzen, die bisher mit
teuren Siliciummonoxid-Verbindungen geschützt werden, wie z. B. Magnetbänder, CDs,
CVDs, Bauelemente der Halbleiterindustrie.
Nicht zuletzt können Carbosilicate auch als Schutzschichten für empfindliche metall
bedampfte Kunststoffe und Kunststofffolien, wie beispielsweise aluminiumbedampfte
Folien, Gedächtnisplatten (memory plates, z. B. Magnetbänder, CDs, CVDs) etc., ver
wendet werden. Besonders vorteilhaft erweist sich dabei, dass das Bedampfen mit Metall
und das Beschichten mit Carbosilicat in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt werden
kann und so der nach dem Stand der Technik weitere Arbeitsgang des Lackieren eingespart
wird.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Festkörpers als optischer Gegenstand stellt ein
weiteres wichtiges Anwendungsgebiet dar. Wie bereits beschrieben kann durch geeignete
Variation der Zusammensetzung der Brechungsindex in der gewünschten Weise verändert
werden. Diese Veränderung kann gegebenenfalls sogar in einem einzigen Arbeitsgang
entweder stufenlos oder stufenweise durchgeführt werden. Beispiele für die Verwendung
des erfindungsgemäßen Carbosilicates als optische Formkörper sind Linsen mit stufenloser
Änderung des Brechungsindex, sehr einfach herzustellende reflexändernde Schichten,
Lichtleiter aus absorptionsfreien, abwechselnd niedrig- und hochbrechenden Schichten,
dielelektrische Mehrfachschichtreflektoren als Laserspiegel oder andere optische Gegen
stände der Lasertechnik, etc.
Die erfindungsgemäßen Festkörper können ferner als Dielektrika in elektrischen oder
elektronischen Bauelementen und Geräten verwendet werden, wobei eine Veränderung der
chemischen Zusammensetzung des Carbosilicates eine gewünschte Steuerung beispiels
weise des frequenzabhängigen Verlustfaktors, der Dielektrizitätskonstante, der Spannungs
festigkeit oder der Wärmeleitfähigkeit ermöglicht.
Hervorragend geeignet sind Carbosilicate als lichtdurchlässige, farblose und glasklare
Barrieren beispielsweise in der Verpackungsindustrie, insbesondere als Barriereschichten
für Kunststofffolien. Daneben können z. B. auch anorganische und organische Substrate zu
diesem Zweck mit Erfolg beschichtet werden. So verhindert beispielsweise bereits eine nur
wenige Nanometer dicke Carbosilicatschicht die Verwitterung von empfindlichen Silicat
gläsern mit hohem Alkali- oder Bleigehalt. Desgleichen wird von einer derartigen Schicht
die photochemische Verfärbung eines mit Pigmenten, z. B. mit Rutilpigmenten, beladenen
Acrylglases verhindert.
Ferner eignet sich der erfindungsgemäße Festkörper zur Verwendung beispielsweise auf
den folgenden Gebieten: als thermisch sehr gut leitendes, aber elektrisch isolierendes
Material, als farbloser und glasklarer Haftstoff für verschiedenste organische und anorga
nische Festkörper, als Gleitmaterial mit niedrigem Reibkoeffizienten, als biologisch
verträgliches Material oder als Interferenzschicht, die aus einer oder mehreren dünnen
Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufgebaut ist.
Besonders vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Carbosilicat ferner als selbst
tragender dünnwandiger Formkörper verwendet werden. Derartige Gegenstände, die
weniger als 1 mm Wandstärke haben und chemisch äußerst widerstandfähig sind, sind aus
dem Stand der Technik nur bedingt bekannt bzw. mit bekannten Verfahren nur bedingt
herstellbar.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird der erfindungsgemäße Gegenstand anhand
einiger Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert.
Eine nasse Pulvermischung bestehend aus Wasser, 1 GT (Gewichtsteil) Si, 2 GT SiO2 und
0,2 GT Cr2O3 wird mittels Schlickergießverfahren in Zylinderform gegossen. Der Zylinder
wird getrocknet und die so erhaltene Mischung wird in einen tiefen, zur Erzeugung von
Richtstrahlen geeigneten Graphittiegel gebracht. Zur Heizung des Graphittiegels mittels
Induktion, Photonen oder Elektronen wird ein beliebig ausgebildeter (z. B. mäander- oder
spiralförmiger) Heizkörper verwendet. Tiegel und Heizkörper werden in einer LH
UNIVEX Vakuumanlage unterhalb eines als drehbare Walze ausgebildeten Substrathalters,
der mit einer 20 µm dicken PET-Folie bespannt ist, befestigt. Mischung, Graphittiegel und
Heizkörper bilden die Aufdampfquelle.
Unterhalb des Substrathalters wird eine aus Blech geformte und mit einem Spalt versehene
Schablone befestigt, auf deren unterer Seite ebenfalls ein PET-Film befestigt wird ohne den
Spalt zu verdecken. Dadurch wird es ermöglicht, in einem Arbeitsgang mehrere streifen
förmige Teile der auf der Walze aufgespannten PET-Folie zu bedampfen, indem die Walze
nach dem Erreichen der jeweils gewünschten Schichtdicke um einige Grad gedreht und so
ein unbedampfter Streifen des PET-Substrates freigegeben wird. Demgegenüber wird auf
dem PET-Substrat der Schablone eine "Dickschicht" des erfindungsgemäßen Festkörpers
aufkondensiert, die beispielsweise durch Auflösen der PET-Folie in einem geeigneten
Lösungsmittel von dieser getrennt werden kann.
Fig. 1 zeigt die Anordnung von Mischung M, Graphittiegel G und Heizkörperspiralen H
und diejenige von Substrathalter SH, dem Substrat PET und der Schablone S im Verhältnis
1 : 1 zum Original.
Nach Absaugen der Vakuumanlage auf 10-4 mbar wird der Heizkörper zwecks Erwärmung
des Tiegels aktiviert. Nach kurzem Entgasen beginnt die chemische Reaktion und das
gleichzeitige Aufsublimieren bei einer Temperatur von etwa 1400°C. Die chemische
Reaktion besteht aus der bekannten Bildung eines SiO-Dampfes, der u. a. auch O, O2, SiO2
und Si enthält, begleitet von einer mit zunehmendem Reaktionsverlauf langsam ab
klingenden Sauerstoffabgabe der sich zersetzenden, in der Mischung anwesenden Chrom-
Sauerstoff-Verbindung. Der Sauerstoff reagiert mit der inneren Wand des Graphittiegels
und bildet erfindungsgemäß ein chemisch hochreaktives und mehrheitlich aus CO be
stehendes Kohlenstoffgas. Kohlenstoffgas und SiO-Dampf vermischen sich und reagieren
in der Gasphase und/oder beim Aufkondensieren auf dem PET-Substrat unter Bildung
eines glasklaren Festkörpers. Das als Verunreinigung im Siliciumdioxid enthaltene
Molybdän bildet mit dem im Aufdampfgut entstehenden Sauerstoff flüchtige Molybdän
oxide und wird ebenfalls in Spuren in den kondensierenden Festkörper eingebaut.
Es werden nacheinander mehrere streifenförmige Festkörperschichten mit einer Gesamt
dicke von ca. 5000 nm auf das von der Walze getragene PET-Substrat aufkondensiert.
Die chemische Zusammensetzung einiger derart hergestellter Kondensatschichten wurde
mit Hilfe des bekannten XPS-Verfahrens (ESCA) in einem Perkin Eimer Messgerät exakt
bestimmt (vgl. Tabelle 1) sowie die ESCA-Tiefenprofile dreier Kondensatschichten aufge
nommen (vgl. Fig. 2 bis 4). Bei diesen Untersuchungen wurden zuerst die verunreinig
ten Oberflächen der Kondensate durch Zerstäubung (Sputtern) abgetragen, damit aus
schließlich die chemische Zusammensetzung der Kondensatschichten verlässlich bestimmt
werden konnte. Sämtliche Kondensate sind glasklar, wobei der Kohlenstoffgehalt zwischen
40,2 Mol-% beim ersten Kondensat und 0,4 Mol-% beim letzten Kondensat liegt. Die
ersten Kondensate weisen einen Kohlenstoffgehalt auf, der den Gehalt an Silicium deutlich
übertrifft, während die letzten Kondensate infolge der abklingenden CO-Bildung bei der
Herstellung dieser Kondensate nur einen sehr geringen Kohlenstoffgehalt aufweisen.
Mit ESCA gemessene Atomkonzentrationen einiger Kondensatschichten in %;
in Klammern angegeben ist das angeregte Orbital des jeweiligen Elementes.
(Das erste und zweite Kondensat wurden ziemlich zu Beginn, das dritte und vierte
Kondensat gegen Ende der oben beschriebenen Reaktion als streifenförmige Festkörper
schichten auf das von der Walze getragene PET-Substrat aufkondensiert.)
Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen die entsprechenden ESCA-Tiefenprofile des ersten, dritten
und vierten Kondensates, in denen die gemessenen Atomkonzentrationen gegen die
Sputterzeit aufgetragen sind.
Die Messreihe macht deutlich, dass vermutlich mindestens zwei gleichzeitig verlaufende
Vorgänge für den Einbau von Kohlenstoff in das Silicium-Sauerstoff-Netzwerk unter
Bildung der Carbosilicate verantwortlich sind: Das in der Gasphase befindliche CO wird
gespalten und dadurch der Sauerstoffanteil des üblicherweise aufkondensierenden
Siliciumsesquioxids erhöht und gleichzeitig Kohlenstoff in die Si-O-Matrix eingebaut. Bei
den ersten Kondensaten entsteht aufgrund des in größeren Mengen vorhandenen CO eine
annähernd stöchiometrische SiO2-Matrix. Mit abnehmender Sauerstoffabgabe der Chrom
verbindung, d. h. mit abnehmender Bildung von CO, entsteht annähernd eine Silicium
sesquioxid-Matrix. Als zweiter, bei den späteren Kondensaten zunehmend in Erscheinung
tretender Vorgang ist die Disproportionierung von CO in CO2 und C zu beobachten. Die
bei den letzten Kondensaten eingebauten kleinsten Mengen an Kohlenstoff reichen aus, um
die einwandfreie Lichtdurchlässigkeit des normalerweise stark lichtabsorbierenden (gelb
lichen) Siliciumsesquioxids zu gewährleisten.
Ferner wurden auch die Sauerstoffpermeabilitäten von einigen 50 bis 100 nm starken
Schichten mit unterschiedlichem Kohlenstoffanteil gemessen, wobei die gemessenen
Permeabilitäten sehr niedrig (≦ 3 cm3/m2dbar in der Regel sogar ≦ 1 cm3/m2dbar) und
teilweise sogar unter der Messempfindlichkeit lagen.
Auf diese Weise hergestellte Carbosilicate zeigen auch nach langer Lagerung an Luft keine
Veränderung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften.
In einer Bandbedampfungsanlage werden lamellenförmige widerstandsbeheizte
Strahlungsheizkörper aus Graphit eingebaut. Der Raum zwischen und unterhalb der
Strahlungsheizkörper wird mit Aufdampfgut bestehend aus verpressten Pulvermischungen
von Si und SiO2 derart aufgefüllt, dass der Abstand zwischen Aufdampfgut und
Strahlungsheizkörper etwas 5 mm beträgt.
Nach Absaugen der Bandbedampfungsanlage auf etwa 10-4 mbar wird durch Aufheizen des
Strahlungsheizkörpers das bekannte Aufsublimieren von Suboxiden des Siliciums eingeleitet.
Nachdem der so erzeugte Dampfdruck etwa 0,5 mbar erreicht hat und der Druck in
der Bandbedampfungsanlage infolge der bekannten Getterwirkung auf etwa 7 × 10-5 mbar
gesunken ist, wird durch ein poröses, vor einem Bedampfen geschütztes Filterrohr Sauer
stoff in die Anlage geleitet. Der Sauerstoff reagiert mit den aus Graphit bestehenden, auf
geheizten Strahlungsheizkörpern unter Bildung von CO, welches in der beschriebenen
Weise nach Spaltung und/oder Disproportionierung zum erwünschten Einbau von Kohlen
stoffatomen in das gleichzeitig aus Silicium und Sauerstoff gebildete Netzwerk führt.
Durch Einstellen der Aufdampftemperatur und der Sauerstoffzufuhr kann die Zusammen
setzung der aufkondensierten, aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Silicium bestehenden
Schicht in weiten Grenzen auch während der eigentlichen Bedampfung, d. h. ohne Wechsel
des Aufdampfgutes, variiert werden.
Fein gepulvertes Quarz wird mit ebenfalls feinem, von Kohlenwasserstoffverbindungen
befreitem Kohlepulver im Verhältnis 1 Mol Quarz zu 0,5 bis 1 Mol Kohlepulver sowie
geringen Mengen von Cerdioxid gemischt. Die Mischung wird pelletisiert und die Press
linge werden in Tiegel gefüllt, die gemäß der DE 44 39 519 gebaut und angeordnet sind.
Verwendet werden Tiegel aus Graphit, Korund und Bornitrid. Nach Aktivierung der
Strahlungsheizkörper wird im Aufdampfgut die erwünschte Bildung von CO und die
Bildung von Suboxiden des Siliciums eingeleitet, die dann zu der erwünschten Bildung
eines erfindungsgemäßen Netzwerkes führt. Im Gegensatz zu den Beispielen 1 und 2 wird
hier das CO nicht "außerhalb", sondern im Aufdampfgut selber erzeugt.
Verwendet wird die in Beispiel 3 beschriebene Vorrichtung. In diesem Fall wird das SiO2-
Pulver jedoch mit verschiedenen organischen oder anorganischen Reaktionspartnern, die
über einen mehr oder weniger großen Kohlenstoffanteil verfügen, vermischt. Als Reak
tionspartner werden Klebstoffe, Phenolharze, Metall-Kohlenstoff-Verbindungen bzw. sich
bei Wärme zersetzende Öle verwendet. Es zeigt sich, dass auch diese Kohlenstoff enthal
tenden Reaktionspartner nach einer gewissen Entgasungszeit zur Erzeugung von Sauer
stoffverbindungen des Kohlenstoffs und zur Herstellung von Carbosilicaten nach dem
unter Beispiel 3 beschriebenen Verfahren geeignet sind.
In einer Vakuumanlage wird mittels Elektronenstrahlen Silicium angeschmolzen. Der aus
diesem angeschmolzenen Silicium erzeugte Si-Dampf wird mit CO-Gas und gegebenen
falls einem anderen Sauerstoff enthaltenden Gas gemischt und anschließend wird das
erfindungsgemäße Carbosilicat kondensiert. Die hier verwendeten Siliciumsorten ent
hielten stets geringe Mengen, d. h. bis zu 0,5 Mol-%, Verunreinigungen an Übergangs
metallen, die zum Teil mitverdampft wurden und entsprechend auch im Kondensat enthal
ten sind.
Durch Steuerung der Gaszufuhr und/oder der Gasmischung können transparente und farb
lose Kondensate mit verschiedenen Zusammensetzungen und dementsprechend auch mit
verschiedenen chemischen und physikalischen Eigenschaften hergestellt werden.
Es wird analog zu Beispiel 5 vorgegangen. Anstelle von CO-Gas wird CO2-Gas verwendet.
Dieses zersetzt sich in der Vakuumanlage unter der Einwirkung eines Hochfrequenz
plasmas in Kohlenstoffsuboxide und Sauerstoff. Die chemischen und physikalischen
Eigenschaften des aufkondensierenden Carbosilicates können durch Veränderungen der
Gaszufuhr bzw. des Hochfrequenzplasmas variiert werden.
Anstelle des Hochfrequenzplasmas können auch andere bekannte Methoden für die
beschriebene Zersetzung eingesetzt werden, beispielsweise UV-Licht oder die Kontak
tierung mit einer ca. 1000°C heißen Oberfläche aus z. B. Graphit.
In einer Vakuumanlage werden als Aufdampfgut Körner aus SiC oder einer Mischung aus
Si und C auf eine poröse Unterlage aus einer hochschmelzenden Sauerstoffverbindung
(z. B. Korund) aufgebracht. Die Oberfläche des Aufdampfgutes wird mittels Elektronen
strahl oder Photonen auf etwas 1500°C erwärmt. Dann wird die Unterseite der porösen
Unterlage mit Sauerstoff oder mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas beflutet. Das durch
die Poren dringende Gas bildet mit dem Aufdampfgut flüchtige Sauerstoffverbindungen
des Kohlenstoffs und des Siliciums, die in Form eines amorphen aus Silicium und Sauer
stoff bestehenden Netzwerkes mit eingebauten Kohlenstoffatomen auf einem bewegten
oder unbewegten Substrat aufkondensiert werden. Mit gleichem Erfolg können anstelle der
körnigen Edukte auch Pellets oder größere poröse Presslinge als Aufdampfgut eingesetzt
werden.
Fein gepulverter Quarzsand wird mit Imprägnier- und Bindepech gemischt und verpresst.
Nach dem Verkoksen des Presslings wird dieser im Vakuum auf 1200-1500°C erwärmt
und dadurch eine Dampf- bzw. Gasentwicklung induziert. Gleichzeitig wird bei dieser
Temperatur unter teilweiser autokatalytischer Wirkung der Dämpfe und Gase die
chemische Reaktion zur Bildung des erfindungsgemäßen Kondensats durchgeführt.
In einer Sputteranlage werden Targets aus Silicium und Graphit oder aus einer Silicium-
Sauerstoff-Verbindung und Graphit in einer Gasmischung aus Argon und Sauerstoff
zerstäubt und zur Bildung des erfindungsgemäßen Kondensates bestehend aus einem
Sauerstoff-Silicium-Netzwerk mit eingebauten Kohlenstoffatomen benutzt. Durch
Veränderung der Abmessungen des Targets sowie der Zusammensetzung der Gasmischung
können die Eigenschaften des Kondensates in weiten Bereichen beeinflusst werden.
Claims (37)
1. Glasartiger anorganischer Festkörper, dadurch gekennzeichnet,
dass er im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent und annähernd farblos ist,
dass er die Elemente Kohlenstoff, Silicium und Sauerstoff enthält,
dass das molare Verhältnis von Sauerstoff zu Silicium zwischen 1,5 : 1 und 2 : 1 liegt
und dass der Gehalt an Kohlenstoff bis zu 50 Mol-% beträgt.
2. Glasartiger anorganischer Festkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass er farblos ist.
3. Glasartiger anorganischer Festkörper nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem amorphen Netzwerk aus
Silicium- und Sauerstoffatomen besteht, in das die Kohlenstoffatome als
Netzwerkbildner und/oder Netzwerkwandler eingebaut sind.
4. Glasartiger anorganischer Festkörper
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass er Kohlenstoffatome in tetraedrischer
Umgebung und/oder in Form diamantartiger Kristallite aufweist.
5. Glasartiger anorganischer Festkörper
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich ein im Normzustand festes
Metall, insbesondere ein Übergangsmetall, enthält.
6. Glasartiger anorganischer Festkörper
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der im Normzustand festen
Elemente mindestens 40 Mol-% beträgt.
7. Glasartiger anorganischer Festkörper
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis von Sauerstoff zu
Silicium zwischen 1,6 : 1 und 1,9 : 1, insbesondere zwischen 1,7 : 1 und 1,8 : 1, liegt.
8. Glasartiger anorganischer Festkörper
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Kohlenstoff zwischen 0,4 und
40 Mol-%, insbesondere zwischen 4 und 30 Mol-%, beträgt.
9. Glasartiger anorganischer Festkörper
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass er Kohlenstoff enthält, der durch Spaltung
und/oder Disproportionierung einer flüchtigen Kohlenstoff enthaltenden Verbindung,
insbesondere von CO, entstanden ist.
10. Glasartiger anorganischer Festkörper
nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
erhältlich durch ein PVD-Verfahren, insbesondere durch ein
Vakuumaufsublimierverfahren, durch ein Vakuumaufdampfverfahren aus der
Schmelze und/oder durch Sputtern.
11. Verfahren zur Herstellung eines glasartigen anorganischen Festkörpers mit den
folgenden Schritten:
- - als Edukte werden gasförmige Atome und/oder Verbindungen des Siliciums und Sauerstoffs sowie gasförmige Atome und/oder eine oder mehrere gasförmige Sauerstoffverbindungen des Kohlenstoffs verwendet und/oder von einer oder mehreren Quellen erzeugt
- - als Substrat wird ein Festkörper verwendet
- - die Edukte werden als Strahlen gleichzeitig auf das Substrat gerichtet
- - die Edukte reagieren vor und/oder beim Kondensieren auf dem Substrat
- - der im Normzustand feste, im Wesentlichen aus Kohlenstoff, Silicium und Sauerstoff bestehende Anteil der Reaktionsprodukte kondensiert auf dem Substrat auf
- - die nicht abgeschiedenen gasförmigen Substanzen werden aus dem Reaktionsraum entfernt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass der im Normzustand feste Anteil der
Reaktionsprodukte als amorphes Netzwerk, bestehend aus den Silicium- und
Sauerstoffatomen, in das die Kohlenstoffatome eingebaut sind, auf dem Substrat
aufkondensiert.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der glasartige anorganische Festkörper in
einer PVD-Anlage, insbesondere einer statischen PVD-Anlage oder einer nach dem
PVD-Verfahren arbeitenden Bandbedampfungsanlage, oder in einer Sputter-Anlage
hergestellt wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Sauerstoffverbindung des
Kohlenstoffs aus Kohlenstoff und/oder einer Kohlenstoff enthaltenden Verbindung
erzeugt wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass als Sauerstoff enthaltende Verbindung des
Kohlenstoffs Kohlenmonoxid und/oder Kohlensuboxid verwendet wird und
dass diese Verbindungen zur Disproportionierung und/oder Spaltung gebracht werden.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff, der auf mindestens 900°C
erwärmt ist, einem Strom von molekularem und/oder atomarem Sauerstoff ausgesetzt
wird und dass das so erzeugte Kohlenstoff-, Sauerstoff- und/oder CO-enthaltende Gas
in statu nascendi mit den anderen an der Reaktion teilnehmenden Edukten reagiert.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass als Edukte
gasförmiges Silicium und eine oder mehrere gasförmige Silicium-Sauerstoff-
Verbindungen
oder eine oder mehrere gasförmige Silicium-Sauerstoff-Verbindungen
gleichzeitig mit einer oder mehreren gasförmigen Sauerstoffverbindungen des
Kohlenstoffs, insbesondere mit CO und/oder CO2,
verwendet werden.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass als Quellen zur Herstellung der Edukte
Aufdampfgüter verwendet werden,
die eine feste Sauerstoffverbindung des Siliciums, insbesondere SiO2 und/oder SiO,
und/oder eine Mischung aus Silicium und Siliciumdioxid
zusammen mit Kohlenstoff und/oder einer festen Kohlenstoff enthaltenden
Verbindung enthalten.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche, an der Reaktion teilnehmenden
und im Normzustand festen Elemente und/oder Verbindungen von derselben Quelle
erzeugt werden.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmigen Edukte von Quellen
erzeugt werden, in denen das Molverhältnis von Kohlenstoff und/oder von Kohlenstoff
in den Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen zu Silicium und/oder zu Silicium in
den Silicium enthaltenden Verbindungen zwischen 0,01 : 1 und 1 : 1 liegt.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass einer der Quellen zusätzlich ein die Bildung
des glasartigen anorganischen Festkörpers begünstigendes und im Normzustand festes
Metall, insbesondere ein Übergangsmetall, in elementarer Form oder als Verbindung
beigegeben wird.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Quelle für die Edukte
Siliciumdioxid und/oder eine andere Sauerstoffverbindung des Siliciums und
gegebenenfalls Silicium mit einem Kohlenstoff enthaltenden Binder oder einem
Kohlenstoff enthaltenden Imprägnierungsmittel gemischt wird,
dass diese Mischung durch Giessen, Pressen oder ein anderes bekanntes Verfahren
geformt wird und dass dieses Formstück verkokst wird.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass der glasartige anorganische Festkörper nach
seiner Bildung vom Substrat getrennt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat ein niedrigschmelzendes Metall
oder eine niedrigschmelzende Legierung oder eine in organischen Lösungsmitteln oder
in Wasser lösliche Verbindung verwendet wird.
25. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als Schutzschicht.
26. Verwendung nach Anspruch 25 für korrodierende Gegenstände.
27. Verwendung nach Anspruch 25 für Glasoberflächen, Kunststoffe, Kunststofffolien,
metallbedampfte Kunststoffe, metallbedampfte Kunststofffolien, Halbleiter und/oder
Gegenstände aus Metallen, insbesondere aus Silber.
28. Verwendung nach Anspruch 27 für Spiegel, Uhrengehäuse, Compact Disks, Compact
Video Disks und/oder Displays.
29. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als optischer Gegenstand, insbesondere als Linse, als
reflexvermindernde oder -verstärkende Schicht, als Element der Lichtleitertechnik
oder in der Lasertechnik.
30. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als Dielektrikum in elektrischen oder elektronischen
Bauelementen oder Geräten.
31. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als Barriereschicht.
32. Verwendung nach Anspruch 31 in der Verpackungsindustrie, insbesondere für
Kunststofffolien.
33. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als Haftstoff für organische und anorganische Festkörper.
34. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als thermisch sehr gut leitendes, aber elektrisch isolierendes
Material.
35. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als Gleitmaterial mit niedrigem Reibkoeffizienten.
36. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als Interferenzschicht.
37. Verwendung eines glasartigen anorganischen Festkörpers nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 als biologisch verträgliches Material.
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DE1999151375 DE19951375A1 (de) | 1999-10-26 | 1999-10-26 | Glasartiger anorganischer Festkörper, Verfahren zur Herstellung eines solchen Festkörpers und dessen Verwendung |
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