Sputter deposition of Iridium and Iridium Oxide for stimulation electrode coatings

• Sputterabscheidung von Iridium und Iridiumoxid für Beschichtungen von Stimulationselektroden

Wessling, Börge; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Kurzfassung

Stimulationselektroden werden zur Anregung von Nervenzellen verwendet, beispielsweise in Herzschrittmachern. Eine gewisse Ladung ist notwendig, um ein Aktionspotential in einer Zelle künstlich zu aktivieren. Die Abgabe der Ladung muss reversibel geschehen, d.h. ohne Gasbildung oder Elektrodenkorrosion in der Gewebeflüssigkeit, wobei die transferierte Ladungsmenge durch die Elektrodengröße und die pro Fläche abgegebene Ladung bestimmt wird. Letztere ist vom Elektrodenmaterial abhängig. Ein optimiertes Material ermöglicht die Realisierung kleinerer Elektroden, welche noch eine Depolarisierung der Nervenzellen anregen können. Eine größere Anzahl kleinerer Elektroden kann auf einem Implantat integriert werden, was die Selektivität der Stimulation erhöht. Iridium und Iridiumoxid (Ir/IrOx) werden zur Beschichtung von Stimulationselektroden verwendet. Die Abgabe der Ladung erfolgt mittels Redoxreaktionen. Das Ziel der Dissertation war, Prozesse und Mechanismen der Sputterabscheidung von Ir(Ox)-Dünnfilmen mit hoher elektrochemischer Aktivität, d.h. hohem Ladungstransfer, zu bestimmen und zu entwickeln. Im Rahmen der Arbeit wurde ein breites Spektrum an Prozessparametern experimentell und simulativ hinsichtlich der Entstehung der Mikrostruktur, der chemischen Zusammensetzung und des elektrochemischen Verhaltens der Schichten charakterisiert. Reaktives RF-Sputtern auf gekühlte und beheizte Substrate (250 °C) sowie reaktives DC-Sputtern wurden charakterisiert und verglichen. Die Prozess- und Filmeigenschaften wurden durch die Sauerstoffintegration in die wachsende Schicht bestimmt. (Elektro-)chemische und morphologische Analysen zeigten, dass die deutlichen Größenunterschiede in der transferierten Ladung mit der Erreichbarkeit von Redoxzentren in der Schicht verbunden sind, und somit mit der Filmtopographie. Aufgrund der erzeugten Topographien war die reaktive DC-Abscheidung auf gekühlte Substrate das am besten geeignete Verfahren. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die elektrochemische Aktivierung mittels Potentialzyklen im Elektrolyten eine Umwandlung von Ir-Oxiden in -Hydroxide bewirkt. Die Säulenstruktur der Schicht wurde in eine wenig kompakte Matrix überführt, welches die Erreichbarkeit von Redoxzentren durch den Elektrolyten verbesserte. Die Ausbildung der Mikrostruktur und deren Einfluss auf den Ladungstransfer wurde weitergehend durch Experimente und Monte-Carlo-Simulationen der Ir-Metallabscheidung untersucht. Die Energie- und Winkelverteilungen der eintreffenden Atome (Adatome) wurden variiert, um Abschattungseffekte und Oberflächenmobilität zu beeinflussen. Der gemessene Ladungseintrag konnte durch Einstellung der Morphologie um einen Faktor 37 erhöht werden. Mithilfe des entwickelten 2D-Modells des Filmwachstums wurde dieser Anstieg durch die geometrische Erreichbarkeit von Ir-Redoxzentren durch das Elektrolyt erklärt. Des Weiteren wurden optimierte Prozesse für Metall- und Oxidabscheidung kombiniert. Es wurde gezeigt, dass der Ladungseintrag in der genutzten Messmethodik auf 80-90 mC/cm^2 begrenzt ist. Die zum Ladungstransfer verfügbare freie Oberfläche konnte nur durch Verstärkung der Abschattungseffekte vergrößert werden, was mit Hilfe der Schichtdicke illustriert wurde. Der Ladungseintrag der dicksten Ir-Schicht (ca. 3000 nm, abgeschieden mit wenig beweglichen Ir-Adatomen) betrug 157 mC/cm^2 nach 100-facher Aktivierung, deutlich mehr als bisherige Literaturwerte. Ein Abscheideprozess für eine Schicht mit hoher elektrochemischer Aktivität sollte somit stark ausgeprägte Abschattungseffekte, minimale Mobilität der abgeschiedenen Atome und die Abscheidung von IrO_2-Einheitszellen kombinieren. Es entstehen Filme mit Netzwerken von Hohlräumen, in welche ein Elektrolyt eindringen kann. Dieser Prozess wird durch anschließende elektrochemische Aktivierung weiter verbessert.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]