Diamanten aus Mittweida

Absolvent Hagen Grüttner an der PLD-Anlage, die er selbst konstruiert und gebaut hat.

Im gasförmigen Zustand ist Kohlenstoff alltäglich, doch in kristalliner Form wird er zu etwas ganz Besonderem: Die Kohlenstoffform Diamant ist das härteste Material, das in der Natur existiert. Außerdem bieten der geringe Reibekoeffizient, die Abriebfestigkeit und die gleichzeitige Biokompatibilität für verschiedenste Bauteile und Werkzeuge ganz neue Möglichkeiten: So werden mit einer nanokristallinen Diamantschicht überzogene Bohrer und Fräser nicht nur effizienter, sondern verschleißen auch erheblich langsamer. Ebenso ist der Einsatz von beschichteten Implantaten in der Medizin möglich, welche das Zellwachstum fördern bzw. hemmen und somit das Risiko einer Abstoßungsreaktion durch den Körper verringern.

Rasterelektronenmikroskop-aufnahme eines diamantbeschichteten Bohrers | © Hagen Grüttner

Hagen Grüttner, Mitarbeiter des Laserinstitut Hochschule Mittweida in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. rer. nat. Steffen Weißmantel, forscht an einer neuen Methode zur Herstellung von nanokristallinen Diamantschichten. Hierfür gibt es zwar bereits Verfahren, doch für diese ist sowohl eine relativ aufwändige Vorbehandlung des zu beschichtenden Werkstoffs notwendig, als auch Prozesstemperaturen zwischen 750 und 1000 °C. Der Mittweidaer Forscher erzeugt die Schicht aus nanokristallinen Diamanten (n-D) stattdessen mittels Laserpulsabscheidung (PLD, engl. Pulsed Laser Deposition). Dieses Verfahren wird zur Herstellung der n-D Schichten neben der Forschergruppe in Mittweida nur noch von einem japanischen Wissenschaftlerteam untersucht. Beim PLD-Verfahren rastert ein Laserstrahl im Hochvakuum über ein sogenanntes Target. Das ist in dem Fall eine Scheibe aus Graphit. Die ablatierten Teilchen werden nach oben geschleudert und scheiden sich auf dem Substrat, also dem Werkstück, das kopfüber über dem Target angebracht ist, ab. Damit die entstehende Schicht aus Diamant ist und nicht aus Graphit, gehört aber noch eine ganze Menge Know-how dazu. So muss das Werkstück z.B. auf mehrere hundert Grad erhitzt werden. Des Weiteren sorgt zusätzlich eingeleiteter Wasserstoff dafür, dass die Kohlenstoffatome die gewünschte Bindungsform einnehmen  und sich in Diamant verwandeln. Gegenüber bestehenden Verfahren hat die Laserpulsabscheidung den großen Vorteil, dass das Substrat nur auf maximal 550 °C erwärmt werden muss. Das schont die Werkzeuge, die bei höheren Temperaturen Schaden nehmen würden. Außerdem ist eine Vorbehandlung der Substrate nicht zwingend notwendig.

Absolvent Hagen Grüttner war der erste, der sich am Laserinstitut Hochschule Mittweida mit der Herstellung von Diamantschichten beschäftigte. Somit war der erste Schritt, eine PLD-Anlage für diese Anwendung zu konstruieren und aufzubauen. Dies könnt ihr am Anfang des Videos sehen. Des Weiteren wird gezeigt, wie am Steuerrechner die Achsen programmiert werden, die den Laserstrahl über das Target lenken. Schließlich seht ihr, wie der Laserstrahl auf das Target trifft. Es bildet sich ein hochdichtes Plasma, welches sich explosionsartig ausdehnt. Die abgetragenen Kohlenstoff-Teilchen bilden eine bis zu mehrere µm dicke Diamantschicht auf dem Substrat.

Am Laserinstitut Hochschule Mittweida forschen zahlreiche Absolventen wie Hagen Grüttner nach ihrem Studium zum Beispiel in den Bereichen Mikro-/Nanotechnologie, Hochrate-Laserbearbeitung oder Beschichtung. Informationen zum Bachelor- und Masterstudiengang Lasertechnik findet ihr unter www.lasertechnik-studieren.de oder im Bachelor der Woche.