Dissertationen ab 2018

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Layher, Michel;
Maschinen- und Verfahrensentwicklung zum laserunterstützten, großvolumigen Schmelzschichten. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2024. - 1 Online-Ressource (XXIV, 152 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 42)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

In den vergangenen Jahren hat sich im Bereich der additiven Fertigung auch das großvolumige Schmelzschichten kontinuierlich weiterentwickelt. Diese Technologie zeichnet sich durch leistungsfähige Extrudiersysteme mit hohen Austragsraten (>1,5 kg/h) und verhältnismäßig großen Düsendurchmessern (3 - 15 mm) aus. Obwohl das auf Granulat basierende Verfahren ein deutlich größeres Anwendungsspektrum hinsichtlich zu verarbeitender Kunststoffe bietet und zudem deutlich reduzierte Fertigungszeiten sowie die Herstellung wesentlich größerer Komponenten (>2 m³) ermöglicht, bringt es gleichzeitig neue Herausforderungen hinsichtlich der Herstellung von Bauteilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften mit sich. Besonders der im Vergleich zum Filamentverfahren deutlich größere Düsendurchmesser und die daraus resultierende Stranggeometrie führen zu einer Skalierung des für die additive Materialextrusion charakteristischen Aufbaus der Bauteile. Dadurch treten technologiebedingte Merkmale (bspw. Treppenstufeneffekt, Hohlräume, etc.) deutlich prägnanter zum Vorschein. Die generierten Bauteile besitzen ein orthotropes Verhalten. Die vorliegende Arbeit vermittelt ein umfassendes Prozessverständnis über das großvolumige Schmelzschichten und beschreibt die Entwicklung einer richtungsvariablen Lasertemperiereinheit, um den additiven Prozess und die Lasermaterialbearbeitung zu kombinieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen dabei die Werkstoffe PMMA (Polymethylmethacrylat) und SAN (Styrol-Acrylnitril). Die Entwicklung eines umfangreichen Prozessmodells ermöglicht es Bauteile unter Berücksichtigung von Stranggeometrie, Abkühlverhalten sowie Schichtverbindungsqualität reproduzierbar herstellen zu können. Die Untersuchungen zeigen, dass mittels großvolumigem Schmelzschichtens hergestellte Bauteile deutlich bessere Festigkeitseigenschaften als Bauteile filamentbasierter Verfahren aufweisen. Dies äußert sich besonders im Zwischenlagenverbund entlang der Aufbaurichtung. Durch die gezielte Einbringung von Wärmeenergie mittels Infrarotstrahlung in den additiven Herstellungsprozess können sowohl die Kontaktzone zwischen aufeinander geschichteten Strängen vergrößert, als auch verfahrensbedingte Hohlräume um bis zu 57 % reduziert werden. Die Erhöhung der Biegefestigkeit, die Verminderung der Kerbwirkung zwischen den Einzelschichten sowie eine dichtere Strangablage führen zu einer Annäherung an isotrope Bauteileigenschaften. Um den laserbasierten Temperiervorgang entsprechend des Extrusionspfades nachzuführen, wird unter Anwendung des Konstruktiven Entwicklungsprozesses eine richtungsvariable Lasertemperierung entwickelt und erprobt. Dadurch gelingt es den Lasertemperierprozess auch für komplexe Bauteilgeometrien zu optimieren. Die mechanischen Bauteileigenschaften erfahren hierdurch eine deutliche Verbesserung. Besonders im Hinblick auf die laterale Stranganbindung ist, im Vergleich zum großvolumigen Schmelzschichtprozess ohne Verwendung eines Lasersystems, eine Steigerung der Biegefestigkeit um das bis zu 8,6-fache zu verzeichnen.



https://doi.org/10.22032/dbt.59543
Oertel, Erik;
Charakterisierung von Mikrokugeln auf der Basis von AFM-Oberflächenscans. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (ix, 136 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Taktile Koordinatenmessgeräte (KMGs) werden zur präzisen Charakterisierung komplexer Bauteile eingesetzt. Bei solchen Messgeräten wird die zu erfassende Oberfläche des Werkstücks in der Regel von einem sphärischen Element angetastet. Durch die Entwicklung von Mikro- und Nano-KMGs steigen die Anforderungen an das Antastelement hinsichtlich der Größe und Form. Benötigt werden Antastkugeln mit Radien im Submillimeterbereich. Die präzise Charakterisierung von Mikrokugeln stellt daher einen entscheidenden und derzeit limitierenden Faktor in der erfolgreichen Anwendung von Mikro- und Nano-KMGs dar. Der Beitrag dieser Arbeit liegt deshalb in der Weiterentwicklung bisheriger Ansätze zur Messung von Mikrokugeln, um die Leistungsfähigkeit von Mikro- und Nano-KMGs nachhaltig zu verbessern. Die Untersuchungen wurden mithilfe einer Nanomessmaschine (NMM-1, SIOS) durchgeführt. Es wurde eine neuartige Strategie implementiert bei welcher die Kugeloberfläche durch mehrere Oberflächenscans abgetastet und anschließend durch einen Stitching-Algorithmus rekonstruiert wird. Als Oberflächensensor wurde ein Atomkraftmikroskop (AFM) im Kontaktmodus genutzt. Zur Korrektur des Einflusses der AFM-Spitze wurde ein Messprozess entwickelt, bei dem der Kugelradius auf eine scharfe Kante zurückgeführt wird. Zur Optimierung und Unsicherheitsermittlung wurde ein auf Simulationen basierendes Modell des Messprozesses erstellt. Zur Reduktion der Komplexität sind die meisten Untersuchungen innerhalb dieser Arbeit auf die Messung eines Großkreises der Kugel (Äquator) beschränkt. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Strategie ist für die Charakterisierung von Mikrokugeln geeignet. Sie wurde an Kugeln mit Radien von 60 µm, 100 µm und 150 µm getestet. Der Einfluss der AFM Spitze wurde durch den Einsatz unterschiedlicher Spitzen mit nominellen Radien von 200 nm bis 2 µm untersucht. Es konnte eine Wiederholbarkeit von 5 nm über 11 Wiederholungen erreicht werden. Hinsichtlich der erreichbaren Messunsicherheit steht eine experimentelle Validierung des entwickelten Modells noch aus. Dazu ist unter anderem die Reinigung von Mikrostrukturen zu optimieren.



https://doi.org/10.22032/dbt.61581
Lenk, Leonhard;
Zoom systems based on tunable lenses. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xx, 171 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Eine große Bandbreite an verschiedenen Prinzipen ermöglicht den sogenannten verstimmbaren Linsen ihre Brennweite zu variieren. Fluidische Linsen und Membranlinsen, die die Fokusvariation durch eine Krümmungsänderung der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Brechungsindizes bzw. einer flüssigkeitsgefüllten Membran erreichen, sind zwei der meistbekannten Technologien. Neben schnell fokussierenden Objektiven für die Qualitätssicherung, sind Zoomobjektive ein vielversprechendes Anwendungsgebiet für diese Elemente. Durch das Ersetzen axialer Bewegung von Linsengruppen, eröffnen sie das Potential für kompaktere, stabilere und leichtere Zoomobjektive. Das ist insbesondere für Anwendungen interessant, in welchen der notwendige Bauraum für die axiale Bewegung von Linsengruppen bisher weitgehend optischen Zoom verhindert hat, wie in Smartphone Kameras und anderen miniaturisierten Geräten. Die Literatur zu den Grenzen und Möglichkeiten derartiger Systeme, sowie zu systematischen Designalgorithmen ist aufgrund der verhältnismäßig neuen Technologie begrenzt. Daher bietet die vorliegende Arbeit einen Überblick über die Leistungsfähigkeit aktueller verstimmbarer Linsen und eine Untersuchung ihres Potentials in Zoomobjektiven. Eine systematische Designmethode zur Analyse des großen paraxialen Lösungsraums wird vorgestellt. Die Anwendung traditioneller Abbildungsfehlertheorie ermöglicht es, die vielversprechendsten Startsysteme bereits in einem frühen Stadium des Designprozesses auszuwählen. Spezifische Herausforderungen für Zoomobjektive die auf verstimmbaren Linsen basieren werden identifiziert und mögliche Lösungsansätze auf der Basis konkreter Designbeispiele diskutiert. Die besonders herausfordernde Korrektur chromatischer Aberrationen über den gesamten Verstimmbereich wird durch eine detaillierte Betrachtung einer Kombination refraktiver Membranlinsen und diffraktiver verstimmbarer Linsen, in Form von Alvarez-Lohmann Linsen, adressiert. Neben der Korrektur chromatischer Aberrationen erlaubt die Einführung höherer Polynomterme in der Phasenfunktion der diffraktiven Elemente auch eine begrenzte Kompensation des Öffnungsfehlers. Die Betrachtungen beinhalten raytracing basierte - und wellenoptische Simulationen, sowie die Herstellung von Prototypen und eine experimentelle Charakterisierung, die einen grundsätzlichen Funktionsnachweis liefert.



https://doi.org/10.22032/dbt.61409
Otto, Henning;
Experimentelle Untersuchungen parasitärer Wandschichtströmungen in thermischen Energiespeichern. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xiii, 180 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Im Rahmen der Energiewende nehmen thermische Energiespeicher eine wichtige Rolle in der mittel- bis langfristigen Energiespeicherung erneuerbarer Energien ein. Dabei können thermische Schichtenspeicher grundsätzlich hohe exergetische Effizienzen erreichen, sofern die thermische Schichtung mit hohen Temperaturgradienten in der Thermokline lange aufrecht erhalten bleibt. Da typische Speicherseitenwände aus Metall als Wärmebrücke zwischen den Schichtungszonen wirken und parasitäre Wandschichtströmungen entlang der vertikalen Wände anregen, sorgen sie für eine Reduktion der Speichereffizienz. Da die hohen statischen Belastungen sowie korrosive Eigenschaften verschiedener Speicherfluide den Austausch des Wandmaterials nicht einfach erlauben, müssen die Wandschichtströmungen besser verstanden werden, um sie dann gezielt durch andere Maßnahmen vermeiden zu können. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher mit Hilfe messtechnischer, analytischer und numerischer Methoden die parasitären Strömungen und damit einhergehende physikalische Phänomene charakterisiert. Die Untersuchungen basieren maßgeblich auf optischen Strömungs- und Temperaturmessungen, welche in einem eigens entwickelten Modellexperiment eines thermischen Schichtenspeichers durchgeführt werden. Nach einer exergetischen Analyse der Modellzelle und numerischen Voruntersuchungen werden zeitgemittelte und zeitaufgelöste Messungen der parasitären Strömungen durchgeführt. Die zeitgemittelten Messungen zeigen zwei gegenläufige Wandschichtströmungen, welche in der Thermokline abgebremst werden und Rückströmungsgebiete ausbilden. Mittels einer Skalierungsanalyse sind diese Effekte auf die hohen Dichtegradienten innerhalb der Thermokline zurückzuführen. Anhand der zeitaufgelösten Messungen wurden dominante Frequenzen in der Wandschichtströmung auf den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung zurückgeführt. Zudem wird gezeigt, dass im Fernfeld der Wand weitere periodische Oszillationen angeregt werden, welche die thermische Schichtung weiter durchmischen. In abschließenden Untersuchungen an einem großskaligen Salzschmelzenspeicher werden die gleichen Fluktuationen nachgewiesen und es wird gezeigt, dass sie in den Randbereichen der Thermokline verursacht werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit die Grundlagen, um zukünftige Schichtenspeicher gezielt verbessern zu können und so deren Effizienz zu steigern.



https://doi.org/10.22032/dbt.60878
Darnieder, Maximilian;
Design and adjustment of weighing cells for vacuum mass comparators. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2024. - 1 Online-Ressource (xxiii, 189 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 41)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Wägezellen auf Basis von nachgiebigen Mechanismen sind von entscheidender Bedeutung in der Massenmetrologie. Die Justierung der mechanischen Eigenschaften bestimmen die messtechnische Leistungsfähigkeit der Instrumente. Die vorliegende Dissertation leistet einen spezifischen Beitrag zu deren weiteren Steigerung. Die Konstruktion und Justierung von nachgiebigen Mechanismen für elektromagnetisch kraftkompensierte Wägezellen in Vakuum-Massekomparatoren werden behandelt. Wichtigster Bestandteil dieser Mechanismen sind ultradünne Festkörpergelenke, deren Modellierung, Fertigung und Messung betrachtet werden. Das mechanische Gesamtsystem wird hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften Steifigkeit, Neigungsempfindlichkeit und Ecklastempfindlichkeit modellbasiert und ausgehend von drei Wägezellen-Prototypen experimentell untersucht. Die entwickelte Justiermethode und deren Umsetzung in Justiereinrichtungen erlauben eine zielgerichtete Justierung unter Vakuumbedingungen. Sie sind darauf ausgelegt, die mechanischen Unsicherheitsbeiträge erster Ordnung der Wägezelle zu eliminieren und ermöglichen so eine weitere Verringerung der Messunsicherheit für Massekomparatoren.



https://doi.org/10.22032/dbt.59666
Stauffenberg, Jaqueline;
Kombination aus Nanofabrikation und Nanometrologie auf einer planaren Ø100 mm Nanofabrikationsmaschine (NFM-100). - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (ix, 147 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Der Bedarf an hochpräziser Positionierung für die Anwendung der Nanofabrikation in makroskopischen Arbeitsbereichen nimmt stetig zu. Durch einen neuen Grad der Komplexität bei der mikro- und nanoelektronischen Fertigung sind extremste Anforderungen an die hochpräzise Nanopositionierung über Verfahrbereiche bis zu 100 mm und deren Kombination mit hocheffizienten Nanostrukturierungsverfahren erforderlich. Für die Erzeugung von Nanostrukturen haben sich in den letzten Jahrzehnten im Vergleich zur optischen Lithographie zahlreiche alternative Verfahren etabliert. Für höchstgenaue Nanostrukturierung und -Messung bieten spitzenbasierte Technologien einen deutlichen Vorteil im Gegensatz zu anderen Verfahren. Der gewöhnliche Bewegungsbereich von spitzenbasierten Systemen ist jedoch meist nur auf einige hundert µm² begrenzt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die bisher kleinflächige Nanostrukturierung durch einen Fowler-Nordheim-Emissionsstrom auf Wafergrößen bis zu 4 Zoll auf Basis einer ultrapräzisen Nanopositionier- und Nanomessplattform zu übertragen. Durch die einzigartige Kombination aus planarer Nanopositioniertechnologie mit einem spitzen­ basierten System können die Bewegungsbereiche um einen Faktor 106-108 erweitert werden. Die Nutzung von aktiven Mikrocantilevern erlaubt einen beliebigen Wechsel zwischen Rasterkraftmikroskopie- und Rastersondenlithographiemodus. Nach der Charakterisierung und Optimierung der planaren Nanofabrikationsmaschine folgen gezielte und umfassende Untersuchungen des spitzenbasierten Systems, um beide Systeme optimal zusammenführen zu können. Anschließend werden diverse Experimente durch die Kombination der Systeme zur großflächigen Abtastung präsentiert, bei denen die Demonstration von makroskopischen AFM-Scans bis zu 100 mm im Fokus stehen. Daran schließen sich umfassende Untersuchungen zur Nanofabrikation über makroskopische Bereiche an. Hiermit gelang der Nachweis der erfolgreichen Synergie der beiden Technologien. Die Zusammenhänge der Reproduzierbarkeit, Präzision als auch des Spitzenverschleißes sind intensiv untersucht. Auch die Bearbeitungslänge und maximale Scangeschwindigkeiten werden analysiert und diskutiert. Zum Nachweis der Verwertbarkeit der erzeugten Nanostrukturen mit der NFM-100 ist ein möglicher Musterübertrag für die Anwendung weiterer Nanofabrikationsprozesse wie beispielsweise der Nanoprägelithographie erfolgreich demonstriert.



https://doi.org/10.22032/dbt.59668
Schäffer, Daniel;
Planar integrated asymmetric waveguide splitter devices in glass. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xvii, 122 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung planar integrierter, asymmetrischer Multimode Wellenleiterverzweiger in Glas. Diese sind besonders interessant für Anwendungen in lokalen Datacom-Netzwerken, der Medizin und der Hochspannungstechnik. Als geeignetes Herstellungsverfahren wird der feldunterstützte Na+/Ag+ Ionenaustausch aus flüssigen Salzschmelzen untersucht. Hierbei werden Ag+ über die Oberfläche in das Glas eingebracht, um den Brechungsindex zu erhöhen. Durch die Verwendung von Masken, die via Photolithographie auf der Glasoberfläche aufgebracht werden, kann die Erhöhung des Brechungsindex lokal begrenzt werden, um optische Lichtwellenleiter herzustellen. Ein externes Feld beschleunigt den Ionenaustauschprozess, kann jedoch zu ungewünschten Verformungen der Wellenleiterprofile führen. Ein Simulationsmodell, basierend auf der Finite-Elemente-Methode, wird zur Berechnung der Lichtwellenleiterprofile entwickelt. Dieses bildet die Ionenaustauschprozesse anhand der Diffusionsgleichungen ab und erlaubt die Erstellung von dreidimensionalen planar integrierten Strukturen in Glas. Anschließend wird die Lichtausbreitung mittels wellenoptischer BPM-Simulation berechnet. Somit kann der experimentelle Aufwand signifikant reduziert werden und eine computergestützte Optimierung des Bauteildesigns erfolgen. Mit Hilfe des Modells werden vier verschiedene asymmetrische Multimode Verzweigervarianten entwickelt. Diese unterscheiden sich in ihrem Maskendesign und den gewählten Ionenaustauschparametern. Es wird untersucht, wie sich die Asymmetrie durch unterschiedliche Breiten der Verzweigerarme und deren Winkel steuern lässt. Ein neuartiger Ansatz, der ohne Maske und damit ohne Photolithographieprozess auskommt, wird vorgestellt. Hierbei wird ein Ultrakurzpuls-Laser genutzt, um Gräben in eine mit Silberionen angereicherte Schicht zu strukturieren. Der verbleibende Steg dient als Lichtwellenleiter. Für jede Verzweigervariante wird jeweils ein Funktionsmuster hergestellt. Die Wellenleiterprofile werden mittels eines Rasterelektronenmikroskops charakterisiert und anschließend werden die Ein- und Ausgänge der Verzweiger an optische Glasfaserkabel angekoppelt. Die Asymmetrie und die Verluste der Komponenten werden gemessen und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Das Verhalten bei Datenraten von 28 Gbit/s wird experimentell bestimmt, um so die Eignung für den Einsatz in optischen Kommunikationsnetzwerken zu gewährleisten.



https://doi.org/10.22032/dbt.59865
Poroskun, Ivan;
Übertragung und Erweiterung des Konzepts des Virtuellen Koordinatenmessgerätes auf neue metrologische Anwendungen am Beispiel der Planck-Waage. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (xiii, 111 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Die Bestimmung der Messunsicherheit ist ein zentraler Aspekt jeder metrologischen Aufgabe. Mit fortschreitender Digitalisierung und bei immer komplexeren Messungen werden die Messunsicherheiten zunehmend in einer Simulation ermittelt. Die entsprechende Simulationssoftware wird dabei über Jahre oder sogar Jahrzehnte zusammen mit dem Experiment weiterentwickelt. Damit dieser Prozess möglichst effizient und nachhaltig gestaltet werden kann, bedarf es einer systematischen Vorgehensweise bei der Implementierung der physikalischen Zusammenhänge in einer Simulationssoftware. Dazu werden in dieser Arbeit die Konzepte einer etablierten Simulationssoftware für die Messunsicherheitsbestimmung verallgemeinert und für die Anwendung auf neue metrologische Aufgaben übertragen. Als Ausgangspunkt wird dafür das VCMM – das Virtuelle Koordinatenmessgerät – herangezogen. Um zu verstehen, wie das VCMM aufgebaut ist und was seinem Konzept zugrunde liegt, wird es von Grund auf neu implementiert. Dabei werden die Ansätze der Modellbildung des VCMMs erkannt und verallgemeinert. Demnach wird der gesamte Messprozess in einer Simulation nachgebildet. Weiterhin wird eine Softwarestruktur erarbeitet, mit der vergleichbare Simulationssoftware aufgebaut werden kann. Um schließlich die physikalischen Modelle einer Messung zu einer Software zu implementieren, wird eine unterstützende Softwarebibliothek entwickelt. Sie enthält die wiederkehrenden Komponenten einer Monte-Carlo-basierten Simulationssoftware und hilft bei der Umsetzung der Softwarestruktur. Zur Veranschaulichung der erarbeiteten Vorgehensweise wird als erstes Anwendungsbeispiel die Planck-Waage betrachtet. Dabei wird eine Simulationssoftware für die Bestimmung der Messunsicherheiten an der Planck-Waage erstellt. Die Software ist modular aufgebaut und bietet vielseitige Analysemöglichkeiten, die einen Einblick in die physikalischen Zusammenhänge der Messung ermöglichen. Die Erstellung der Simulationssoftware für weitere metrologische Anwendungen erfolgt äquivalent.



https://doi.org/10.22032/dbt.59707
Pabst, Markus;
Planck extension for a prototype vacuum mass comparator. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (XI, 120 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

Diese Arbeit befasst sich mit der technischen Umsetzung zur Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition des Kilogramms von 2019. Im Stand der Technik wird die Geschichte des Kilogramms zurückverfolgt und es werden die wichtigsten Meilensteine der Wägetechnik vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Ansätze zur Umsetzung der Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition aufgezeigt. Es werden die Grundlagen der hochpräzisen Massebestimmung einschließlich der Grenzen, Probleme und neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Wägetechnik dargestellt. Darüber hinaus werden die Grundlagen der absoluten Massebestimmung mit einer Planck-Waage nach der neuen Definition des Kilogramms dargestellt. Im weiteren Verlauf wird die Entwicklung einer Planck-Waage als Erweiterung eines handelsüblichen Hochvakuum-Massekomparators beschrieben. Dies ermöglicht die Bestimmung des Kilogramms nach der neuen Definition auf der Grundlage von Massekomparatoren, die mit langjähriger Erfahrung entwickelt und getestet wurden. Darüber hinaus können die Massekomparatoren weiterhin zur Aufrechterhaltung der Kalibrierkette nach der alten Definition des Kilogramms verwendet werden. Im Rahmen der Entwicklung dieser Planck-Erweiterung für Massekomparatoren wird die Entwicklung von Magnetsystemen eingehend diskutiert. Im weiteren Verlauf wird die allgemeine Funktionsweise des Systems vorgestellt und beschrieben und die Messmethodik erläutert. Die aus dem Hauptexperiment gewonnenen Messergebnisse werden im Rahmen einer detaillierten Datenanalyse vorgestellt und diskutiert. In der Schlussfolgerung werden die Ergebnisse diskutiert, bewertet und mögliche Verbesserungsvorschläge aufgezeigt und vorgestellt.



https://doi.org/10.22032/dbt.59667
Schlag, Leslie;
Fundamentals and applications of gas phase electrodeposition. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2024. - 1 Online-Ressource (147 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2024

In dieser Arbeit werden Grundlagen und Anwendungen der Gasphasen Elektrodeposition erarbeitet. Der Begriff steht für ein Zusammenspiel von Aerosolphysik und konventioneller Abscheidungstechnologie. Das aus einer Funkenentladung erzeugte Material wird durch einen Plasmastrahl direkt zu Punkten auf einem Substrat transportiert, wo sich das Material lokal oder in Mikrofilmen abscheidet. In dieser Arbeit wurden drei entscheidende theoretische Aspekte (i-iii) und drei praktische Aspekte (iv-vi) herausgearbeitet. (i) Die beiden Schlüsselparameter Funkenentladungsleistung und Trägergasfluss beeinflussen den von den geladenen Spezies getragenen elektrischen Strom, die erzeugte Masse/Größe der Nanopartikel und die resultierende Mikro-/Nanostrukturmorphologie. Langmuir-Sonden-Messungen zeigen mindestens zwei Transportzonen – eine vom Gasfluss dominierte und eine vom elektrischen Feld dominierte Zone. Die Gasströmung ist der Hauptfaktor, nicht nur für die Partikelgeschwindigkeit in der Transportzone, sondern auch für die Verteilung des elektrischen Potenzials und des elektrischen Feldes im Reaktor. In der Nähe des Substrats bildet sich ein elektrischer Feldgradient aus. Der Transport wechselt von der Gasströmung zum E-Feld. Die Komponente des elektrischen Feldes zeigt zur Oberfläche hin. (ii) Der elektrische Strom und die gravimetrische Analyse zeigen, dass die Stickstoff Ionen im Vergleich zu den erzeugten Metallpartikeln deutlich in der Überzahl sind. In Anbetracht der Mikro-/Nanostrukturmorphologie erweist sich die Leistung der Entladung als der wichtigste Parameter. Eine niedrige Funkenleistung in Verbindung mit einem geringen Gasfluss führt zu dendritischen Partikeln. Im Gegensatz dazu führt eine höhere Funkenleistung in Verbindung mit einem höheren Gasfluss zu kompakten Schichten. Dieses zweidimensionale Parameterfeld ermöglicht eine maßgeschneiderte Schichtmorphologie und Abscheiderate. (iii) Bei konstantem Gasdurchsatz führt ein kleinerer Reaktordurchmesser zu einem turbulenteren Strömungsverhalten. Dieses Verhalten ist unabhängig vom Gaseinlass, der die Partikelkonzentration im Plasmastrahl beeinflusst. Ein statistisches Modell führt zu einem besseren Verständnis der Gasphasen Elektrodeposition. Zusätzlich zur üblichen Standarddiffusion treten in eine bestimmte Richtung auch lange super-diffusive Flüge der erzeugten Teilchen auf, wenn ein zusätzliches elektrisches Feld vorhanden ist. Die gewonnenen theoretischen Erkenntnisse halfen bei der Gasphasen Elektrodeposition von (iv) Mikrofilmen, (v) lokalisierten selbstausrichtenden lateralen Metall-Nanobrücken und (vi) lokalisierten selbstausrichtenden vertikalen Leiterbahnen.



https://doi.org/10.22032/dbt.59621