Projektbereich C:
Materialsysteme für die Photonik bei hohen Temperaturen

Eine ausführliche und allgemeinverständliche Einführung in den Projektbereich C können können Sie hier nachlesen.

Im Projektbereich C werden neuartige hierarchische nanostrukturierte Materialsysteme auf der Basis von thermisch stabilen Keramiken und Metallen für die Photonik bei hohen Temperaturen mit Anwendungsperspektiven für thermophotovoltaische Systeme (TPV) und Thermal Barrier Coatings (TBC) untersucht. Insbesondere sind hier direkte und invertierte 3D-photonische Kristallstrukturen (PhK) und neuartige optisch hyperbolische Medien zu nennen. Die PhK weisen aufgrund ihrer Periodizität und aufgrund des Brechungsindexkontrastes eine photonische Bandstruktur auf, die mit photonischen Bandlücken, mit Bereichen besonders hoher photonischer Zustandsdichten und mit speziellen Dispersionsrelationen einhergeht. Die in orientierten Carbon Nanotube (CNT)-Teppichen und in anodisch oxidiertem und metallgefüllten Al2O3 zu realisierenden optisch hyperbolischen Medien weisen eine divergierende optische Zustandsdichte für bestimmte Propagationsrichtungen auf und sind zur effektiven Übertragung von Strahlungsleistung unter Beteiligung von Nahfeldern in der Lage. Die dargestellten Eigenschaften sollen hier genutzt werden, um in TBCs thermische Strahlung stark und gerichtet zu reflektieren bzw. um in TPV-Systemen Strahlung effektiv und effizient zu koppeln.

Die Bearbeitung der beiden dargestellten wissenschaftlichen Fragestellungen zu TPV- und TBC-Systemen soll analog zu den Ansätzen der Projektbereiche A und B erfolgen, bei denen es um die Frage geht, wie insbesondere mechanische und elektrische Eigenschaften auf der Makroskala von denen auf den niedrigeren Hierarchieebenen abhängen. Projektbereich C beschäftigt sich mit der Frage, wie besondere photonische Funktionalitäten wie eine starke hemisphärische Reflexion oder eine starke optische Kopplung aber auch bestimmte thermische Eigenschaften auf der Makroskala durch die Nano- und Mikroskala beeinflusst werden.

C1: Strukturierte Emitter für effiziente und effektive Thermophotovoltaik

Eine starke optische Kopplung zwischen Emitter und photovoltaischer Zelle hat das Potenzial, die durch thermische Strahlung erzeugte elektrische Leistung in Thermophotovoltaik (TPV)–Systemen signifikant zu erhöhen. Weiter...

C2: Keramikbasierte hochtemperaturstabile Wärmestrahlungsreflektoren und Strukturfarben

Die übergreifende Fragestellung des Teilprojekts ist die Modellierung und Charakterisierung der Reflexion elektromagnetischer Strahlung an multiskaligen, porösen keramischen Strukturen unter Hochtemperaturbedingungen. Weiter...

C3 (beendet): Lithographisch gesteuerte Assemblierung und ALD-Beschichtung von 2D- und 3D-Porenstrukturen für die Thermophotovoltaik und als thermische Barriereschichten

Zur Anwendung in der Thermo-Photovoltaik oder als Thermische Barriereschichten sollen periodisch geordnete Nanostrukturen aus Metallen und Oxiden entwickelt werden. Weiter...

C4: Deposition, Ordnung und mechanische Stabilität von Beschichtungen aus assemblierten Partikeln mit enger Größenverteilung

Im Projekt C4 soll ein effizientes Verfahren entwickelt werden, das mittels Selbst- und Koassemblierung die Abscheidung von großflächigen keramischen photonischen Kristallen ermöglicht. Die Selbstassemblierung stellt bei der Herstellung von 3-dimensionalen periodischen Strukturen eine kostengünstige Alternative zur Photolithographie dar. Weiter...

C5: Oxidische Hochtemperatur-Schutzschichtsysteme mittels angepasster Porenstruktur

Ziel dieses Teilprojekts ist die Analyse der bei hohen Temperaturen auftretenden Strukturänderungen photonischer Kristalle sowie die Entwicklung von Konzepten für eine verbesserte Hochtemperaturstabilität poröser Keramiken. Beide Teilaspekte sind dabei stark vernetzt, um  so die relevanten Parameter sowohl zu identifizieren als auch zu quantifizieren. Basierend auf den bisherigen Arbeiten mit TiO2, Al2O3 und YSZ werden Hochtemperatur-stabile Oxide wie Al- bzw. Y-Silikate als Matrix für invertierte photonische Kristalle und Gläser entwickelt. Weiter...

C6: Keramische Mikropartikel: Bausteine für photonische Hochtemperaturwerkstoffe

Im Teilprojekt C6 werden die im Projektbereich C benötigten und kommerziell nicht erhältlichen Keramik­par­tikel herge­stellt. Weiter...

C7: Deposition und Stabilität von hochtemperaturfesten geschichteten Metamaterialien

Das Einsatzgebiet geschichteter Metamaterialien als Emitter für Thermophotovoltaik, in denen Wärme in Elektrizität umgewandelt wird, ist aufgrund niedrigschmelzender Metalle limitiert. Die Synthese selektiver Absorber/Emitter-Metamaterialien mit hochschmelzenden Refraktärmetallen, Nitriden sowie Carbiden für höchste Temperaturen (>1000°C) ist die wissenschaftliche Herausforderung. Weiter...