Funktionmaterialien

Funktionmaterialien sind Materialien, deren Eigenschaften gezielt so gestaltet sind, dass sie eine bestimmte Funktion erfüllen oder sich unter bestimmten Bedingungen verändern. Sie gehen über rein tragende Werkstoffe hinaus, indem sie aktiv nutzbare elektrische, magnetische, optische, thermoelektrische, chemische oder mechanische Funktionen bereitstellen. Durch gezielte Zusammensetzung, Kristallstruktur und Oberflächenmodifikation lassen sich Empfindlichkeit, Geschwindigkeit, Effizienz oder Lebensdauer von Bauteilen beeinflussen. Typische Anwendungsbereiche sind Sensoren, Aktoren, Energieumwandlung und -speicherung sowie Katalyse.

Zu den Funktionmaterialien zählen elektronische und ionische Leiter (Halbleiter, Leiterionen), magnetische Materialien (Soft- und Hard-Magnete), ferroelectric/piezoelektrische Stoffe, optische und photonic Materialien sowie thermo- und elektrokatalytische Systeme. Weitere Gruppen bilden Perowskit- und 2D-Materialien, Supraleiter, Formgedächtnislegierungen, elektrochromische und thermochrome Materialien. Viele dieser Materialien werden zu Dünnschichtstrukturen, Nanokompositen oder Kristallgittern so ausgebildet, dass Grenzen, Interfaces und Defekte gezielt Funktionen unterstützen.

Die Eigenschaften von Funktionmaterialien hängen stark von Mikrostruktur, Phasenanteil, Defekten und Oberflächenzuständen ab. Typische Herstellungsverfahren umfassen chemische Abscheidung (CVD, ALD), Pulsed-Laser-Abscheidung, Sol-Gel, Sputtering, Elektrolyse und Schmelzprozess. Nanostrukturierung, Dotierung, und die Kontrolle von Grenzflächen ermöglichen verbesserte Leitfähigkeit, Reaktionskinetik oder Empfindlichkeit. Eine wichtige Forschungsaufgabe ist die Stabilität und Lebensdauer unter Einsatzbedingungen sowie die Integration in Bauteile und Systeme.

Anwendungsfelder sind medizinische Sensorik, Umweltüberwachung, MEMS-Aktoren, Energiespeicher (Batterien, Superkondensatoren), Solarzellen, Katalyse und intelligente Fenster. Herausforderungen umfassen Skalierbarkeit, Kosten, Langzeitstabilität, Umwelteinflüsse und Recycling. Zunehmend werden Multifunktionalität und adaptive Eigenschaften gefordert, während standardisierte Charakterisierungsmethoden helfen, Vergleichbarkeit und Marktreife zu erhöhen.