Studienabschlussarbeiten

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Sol-Gel-Herstellung und Abscheidung von Niob dotierten Titandioxidschichten (Nb:TiO2) auf Substraten aus Glas, Polymer und Silizium. Schwerpunkte der Arbeit waren die Sol-Entwicklung und die Untersuchung der optischen und elektrischen Eigenschaften von Nb:TiO2 sowie der Struktur in Abhängigkeit von der anschließenden thermischen Behandlung. Für das Sol Gel Verfahren konnten verschiedene Herstellungswege aufgezeigt werden. Die Dotierkonzentration wurde bis 40 % variiert. Der Einfluss der Dotierung auf die Anatasbildung wurde bis 12 % ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass keine unerwünschte Beeinträchtigung auftrat. Die Abscheidung aus der flüssigen Phase erfolgte mit Hilfe vier verschiedenen Methoden: Tauchen, Aufschleudern, Drucken und Rakeln. Mit allen Methoden konnten visuell geschlossene Schichten hergestellt werden, mit unterschiedlich guter Homogenität der Schichtdicke. Mit dem Gravurdruck konnten auch geometrische Objekte mit Strichbreiten im Bereich von 100 mym und mehr gedruckt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit der materialsparenden Strukturierung ohne nachträglichen Abtrag. Über die anschließende thermische Behandlung der getauchten Schichten wurden die Kristallinität und die Transmission optimiert. Mit zunehmender Dotierung des Sols verschob sich die Kristallisationstemperatur nach oben. Dies konnte durch eine niedrige Aufheizrate 5 K/min kompensiert werden. Die Art des Ofens und dessen Atmosphäre haben einen wesentlichen Einfluss auf die Kristallphasenbildung und Transmission. Nach der Temperung im Gradientenofen bei 400 ˚C und einer Haltezeit von 10 min konnte Anatas nachgewiesen werden. Die dotierten Schichten aus dem Gradientenofen wiesen im sichtbaren Bereich eine geringe Absorption von max. 10 % auf und besaßen eine Bandlücke von ca. 3,31 eV. Die Temperung unter Vakuum hatte einen negativen Einfluss auf die Transmission. Die AFM-Aufnahmen gaben Hinweise darauf, dass die getemperten Schichten nicht porenfrei waren. Das Gefüge war körnig, mit typischen Korndurchmessern im Bereich von 40 nm. Für dünnere Schichten kann dies durch Veränderungen des Sol-Rezeptes optimiert werden. Die Schichten erreichten keine mit der Vierpunkt Messmethode bestimmbare Leitfähigkeit. Messungen der Durchleitfähigkeit waren ebenfalls nicht aussagekräftig. Aufgeschleuderte TiO2 bzw. Nb:TiO2-Schichten konnten in den bestehenden Aufbau einer Polymer-Solarzelle integriert werden. Diese Schichten wurden mit der Heizplatte getrocknet. Die Vermessung der I-U-Kennlinie zeigt, dass eine 6 % Dotierung des Titandioxids mit Nb vorteilhaft ist.

Die vorgestellte Arbeit beschäftigt sich mit der ortsaufgelösten Bewertung von Inhomogenitäten im Auslauf eines Durchlaufmischers. Als Messgröße dient die Konzentrationsverteilung von in das Modellfluid eingebrachten Tracern, die optisch über ein 3D-Laserscanverfahren erfasst und quantitativ bewertet wird. Der den Bewertungen zugrunde gelegte Durchlaufmischer stellt das Modell eines Feederkanals dar, und kann sowohl mit einemmechanischen als auch elektromagnetischen Rührer betrieben werden. Zur Visualisierung des Mischungszustandes wird am Einlauf des Mischers eine mit Partikeln beladene Schliere eingebracht, die durch das jeweilige Rührverfahren in das Modellfluid eingerührt wird. Die Verteilung der Tracer nach den Rührvorgängen wird in einer Durchlaufküvette am Auslauf des Durchlaufmischers bestimmt. Dazu wird ein Linienlaser der Wellenlänge 660 nm schrittweise durch die Küvette verfahren und das an den Partikeln gestreute Laserlicht durch eine im rechten Winkel zur Einstrahlrichtung des Lasers angeordneten Kamera erfasst. Durch ein eigenentwickeltes Makro für das Bildverarbeitungsprogramm ImageJ werden die Partikelverteilungen in den erhaltenen Bildern der gesamten Messzelle bewertet und zur Mischgradbestimmung eingesetzt. Die Bestimmung der Homogenisierungswirkung bei unterschiedlichen Prozessparametern legt die Wirksamkeit bzw. die Grenzen des Verfahrens dar.

Inhalt dieser Arbeit ist eine Untersuchung von verschiedenen Beschichtungen, die auf Glas aufgebracht werden. Im ersten Teil geht es um Primer, die auf Mündungen von Glascontainern aufgebracht werden, um die Haftung von Siegelfolien zu verbessern. Im zweiten Teil geht es um Sol-Gel-Beschichtungen, die das Ablaufen von Lebensmitteln verbessern sollen. Dafür wurden Sol-Gel-Schichten erzeugt, untersucht und eine Berechnung der Oberflächenenergie wurde durchgeführt. -Kalknatronglas, -Beschichtung von Objektträgern mit unterschiedlichen Sol-Gel-Schichten und anderen Beschichtungen, - Kontaktwinkelmessung, Berechnung der Oberflächenspannung der Proben, Bestimmung des Abrollwinkels von verschiedenen Flüssigkeiten/Lebensmitteln, - Recherche zu möglichen Verbesserungen der Schichten durch Plasmabehandlung.

In den letzten Jahrzehnten hat die Nutzung drahtloser Kommunikationstechniken rapide zugenommen. Auch in der Industrie und Medizin werden die hochfrequenten elektromagnetischen Felder zunehmend angewandt. Ob diese negative Auswirkungen auf biologische Organismen haben, wird in dieser Arbeit erörtert. Dazu werden aufbauend auf technischen, biologischen, gesetzlichen und wissenschaftlichen Grundlagen aktuelle Studien und veröffentlichte Fachartikel mit Beschränkung auf die nichtthermischen Effekte im Mikrowellenbereich (300 MHz bis 300 GHz) und unter Beachtung der verwendeten Untersuchungsmethoden bis zum Jahr 2000 zurück analysiert und anhand von Bewertungskriterien hinsichtlich der Risiken für Mensch und Umwelt beurteilt. Insbesondere die Wirkung der Mobilfunknutzung auf das Krebsrisiko, das Nervensystem und die Fertilität findet dabei Beachtung. Aus der Klassifizierung der Literaturergebnisse in bewiesene, wahrscheinliche, mögliche, unwahrscheinliche und nicht bewertbare Effekte ergibt sich ein mögliches erhöhtes Risiko für Hirn- und Speicheldrüsentumore bei langzeitigem bzw. intensivem ipsilateralem Mobiltelefongebrauch. Weiterhin sind aufgrund gefundener Effekte auf die Spermienbeweglichkeit Auswirkungen auf die Fertilität denkbar. Zudem wurde mehrfach ein möglicher Hörverlust hoher Frequenzen nach langzeitiger Handynutzung aufgezeigt. Methodische Mängel und fehlende Wirkmechanismen verhindern allerdings eine kausale Interpretation. Die Risiken für Mensch und Umwelt sind angesichts der bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnisse als gering einzuschätzen, weshalb eine Herabsetzung der Grenzwerte nicht nötig ist. Die Entwicklung von Absorbermaterialen zur Reduktion der Strahlenexposition könnte in Zukunft aber unumgänglich werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich, einerseits mit der werkstofftechnologischen Optimierung der fotostrukturierbaren Gläser FS21 und Foturan und andererseits mit dem Design von Strahlführungselementen, auf Basis eines vorgegebenen Sensoraufbaus, in ein monolithischen Glasbauteils. - Die werkstofftechnologische Optimierung widmet sich der Erhöhung der IR-Strahlungsabsorption und der Erzielung eines feinkörnigen Gefüges der fotostrukturierbaren Gläser. Die Modifizierung, der einzustellenden Eigenschaften, fand über den Fotoformprozess statt. Anhand verschiedener experimenteller Methoden wurde der Einfluss der Belichtungsenergiedichte und der Temperzeit auf die einzustellenden Eigenschaften des Glases analysiert. Zum Erreichen eines feinkörnigen Gefüges wurde der Schwerpunkt auf ein einstufiges Temperregime mit einer Haltezeit bei der Keimbildungstemperatur gelegt. Dabei konnte zwischen der Transmissionsminderung der Plasmonenanregung des Silbers, der Kristallgröße und -anzahl einen Zusammenhang hergestellt werden. Aus der Erhöhung der Belichtungsenergiedichte und Temperzeit resultierende Gefügemodifizierung beeinflussen die Größe und Anzahl der Kristalle. - Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den Konzepten zur Integration einer Blendenfunktion und Strahlführungsfunktion sowie zur Herstellung solch eines monolithischen Glasbauteils. Mit der Optiksoftware ASAP konnten zwei Konzepte von Strahlführungselementen auf Basis eines vorgegebenen mikrooptischen Sensoraufbaus erarbeitet werden. Im Zuge einer Recherche wurde ein für den Fotoformprozess geeignetes Verfahren (Variation der Maskentransmission) für die Strukturierung in die Tiefe von fotostrukturierbarem Glas ermittelt. Die für die Strukturierung notwendigen Parameter, wie Belichtungsenergiedichte, Temperzeit und Tempertemperatur wurden bereits im ersten Teil der Arbeit ermittelt. In Verbindung mit den gewonnenen Parametern und der Variation der Maskentransmission konnte ein Konzept zur Herstellung eines mikrostrukturierten Glasbauteils erstellt werden. In der Optik wird großer Wert auf die Oberflächengüte gelegt. Zur Verbesserung der Oberflächengüte wurden abschließend Feuerpolitur-Versuche durchgeführt.