Herstellung und Charakterisierung von Dünnschichten aus dotiertem Bariumhexaferrit durch HF-Co-Sputtern. - 60 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit der Herstellung von dünnen Titan-Cobalt-substituierten Bariumhexaferrit-Schichten mittels HF-co-Sputterns untersucht. Unterschiedliche Substitutionsgehalte wurden erzeugt, um eine kristalline Struktur BaFe12-x-yTixCoyO19 zu realisieren. Die Schichten wurden auf Aluminiumoxid- und LTCC- (low temperature co-fired ceramic) Substraten abgeschieden. Die chemische Zusammensetzung der Schichten wurde mittels EDX und ICP-OES ermittelt. Die Morphologie der Oberfläche der Schichten vor und nach einer Wärmebehandlung wurde am REM analysiert. Die Ausbildung unterschiedlicher Phasen wurde mit XRD beobachtet, in Abhängigkeit von dem Substitutionsgehalt, dem verwendeten Substrat und den Parametern der Wärmebehandlung. Die magnetischen und elektromagnetischen Eigenschaften wurden charakterisiert mittels VSM und Bestimmung der S-Parameter in Abhängigkeit von der Frequenz. In dieser Arbeit konnten Ti-substituierte Bariumhexaferrit Schichten auf Aluminiumoxid-Substraten mit unterschiedlichen Substitutionsgehalten mittels HF-co-Sputtern und anschließender Wärmebehandlung erzeugt werden. Die Co-Konzentration fiel geringer aus, als nach den Voruntersuchungen erwartet. Die statischen magnetischen Eigenschaften werden durch die Schichtdicke beeinflusst. Die magnetische Remanenz fällt und die Koerzitivfeldstärke steigt bei geringerer Schichtdicke. Die auf LTCC abgeschiedenen Schichten kristallisieren bei gleichen Prozessparametern nicht zu reinem Bariumhexaferrit. Die nicht substituierte Schicht bildet bei einer Wärmebehandlung (900 ˚C für 30 min) neben Bariumhexaferrit eine Hämatitphase aus. Um den Einfluss des Substratmaterials auf das Kristallisationsverhalten zu untersuchen, sollten in-situ Hochtemperatur XRD Studien durchgeführt werden.
Tiefenaufgelöste Härtemessung zur Beurteilung von Initiatoren der Glasalterung. - 80 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Vier Modellgläser, A, B, C und D, zusammengesetzt aus 72 % SiO2, 14 % Na2O und jeweils 14 % CaO, B2O3, Al2O3 und ZnO wurden in dieser Arbeit verwendet, um den Zusammenhang zwischen chemischen Angriff und mechanischen Oberflächeneigenschaften zu untersuchen. Die Gläser wurden bis zu sieben Tage lang bei 60˚C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit korrodiert. An den korrodierten Proben wurden tiefensensitive Härtemessungen mittels Nanoindentation durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die Gläser A und B stark, die Gläser C und D nur schwach korrodieren, also die Korrosionsneigung von der chemischen Zusammensetzung des Glases abhängt. Weiterhin beschleunigt eine Erhöhung der Temperatur das Fortschreiten der Korrosion. Dieser Effekt tritt bei allen Gläsern auf, ist jedoch in Ausprägung und Stärke wieder abhängig von der Zusammensetzung des Glases. Als den größten Einfluss auf die Streuung der Messung hat sich die inhomogene Veränderung der Oberfläche herausgestellt, wobei sowohl lokale Korrosionserscheinungen als auch der gesamte Alterungsprozess eine Rolle spielen.
Glättung von Oberflächen fotostrukturierter Glasbauteile für optische Anwendungen. - 98 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Fotostrukturierbare Gläser erlauben die Herstellung optisch transparenter Mikrosysteme für verschiedene Anwendungen mittels Lithografie im Maskaligner. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Mikrofluidikkanälen für Lab-on-a-Chip-Anwendungen bis hin zu mehrschichtig aufgebauten, dreidimensionalen Bauteilen. Ein Vertreter letzterer Gruppe ist ein Aerosol-Druckkopf, der zur in-situ Untersuchung der Aerosolbildung optisch transparente Seitenwände benötigt. Die vorliegende Arbeit untersucht im Hinblick auf diese Anwendung Möglichkeiten, die Transparenz der Seitenwände fotostrukturierter Glasbauteile aus FS21, einem fotostrukturierbaren Glas, zu steigern. Bei der Fotostrukturierung entstehen prozessinhärent Rauheiten auf ausgezeichneten Glasoberflächen. Um die Bauteile optisch nutzen zu können müssen daher diese Rauheiten beseitigt, und die Oberflächen geglättet werden. Zu diesem Zweck werden verschiedene in der Literatur beschriebene Methoden zum Glätten von Glasoberflächen diskutiert und evaluiert. Anschließend wird ein nasschemischer Ätzprozess mit Flusssäure vorgeschlagen, der zum Glätten von Glasoberflächen eingesetzt werden kann. Dazu wird der Ätzangriff der Ätzlösung durch eine Strömung anisotrop gestaltet. Die praktische Umsetzung und Evaluierung des Prozesses schließen diese Arbeit ab. Es werden Glättungseffekte um bis zu 25% für Ra, sowie 65% für Rz und 38% für Rt erzielt.
Untersuchung zur Beschichtbarkeit von fotostrukturierbarem Glas mit Titandioxid. - 86 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit sollten die Wechselwirkungen durch Kombination zweier Prozesse bestimmt werden. Der erste dieser beiden Prozesse ist der Beschichtungsprozess mittels Sol-Gel-Technik, der zweite der Fotostrukturierungsprozess. So wurde im ersten Schritt der Beschichtungsprozess untersucht und Beschichtungen an Borosilikat-Objektträgergläsern durchgeführt. Dabei wurden das Sol und die Beschichtungsparameter variiert. Folgende Parameter konnten u.a. variiert werden: - Viskosität des Sols, - Ziehgeschwindigkeiten des Tauchbeschichters, - Temperregime. - Im Anschluss wurden einige Eigenschaften der Schichten analysiert und dargestellt. Daten für die Auswertung wurden aus Beobachtungen über ein Lichtmikroskop-, XRD-Aufnahmen und durch Messungen am Schichtdicken- und Rauhigkeitsmessgerät AlphaStepIQ der Firma KLA Tencor sowie Messungen am Transmissionsmessgerät gewonnen. Dadurch konnten Transmissionsgradkurven und Schichtdicken in Abhängigkeit der Beschichtungsparameter ermittelt werden. Es konnten somit Schichten von einigen zehn Nanometern bis ca. 200 Nanometern aufgebracht werden. Durch eine qualitative Phasenanalyse konnte die Titandioxidmodifikation Anatas in der aufgebrachten Schicht nachgewiesen werden. Weiterhin ergaben sich Aufschlüsse über die Schichttopographie und es wurden Cluster innerhalb der Schicht entdeckt. Der zweite Schritt bildete die Kombination des Fotostrukturierungsprozesses mit dem Beschichtungsprozess. Dafür wurde ein anderes Substrat verwendet und die Beschichtungen auf ein FS 21-Substrat fortgeführt. Variiert wurden die Zeitpunkte der Belichtung und der Beschichtung sowie deren thermische Nachbehandlung. so dass Beschichtungen auf FS 21-Substraten und Glaskeramiken stattfanden. Diese wurden mittels Rasterelektronenmikroskop und Transmissionsmessgerät analysiert. Bei den Messungen an der Materialpaarungen Titandioxidschicht auf fotostrukturierbarem Glassubstrat ergaben Aufschlüsse über die Wechselwirkungen der beiden Materialien miteinander und im Bereich des primären und sekundären Kristallwachstums des FS 21-Substrates in Abhängigkeit des Prozessverlaufes.
Depostiton von Kieselglas auf optischen Fasern mittels CO2-Laser zur Erzeugung einer funktionalen Beschichtung. - 79 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
In der Arbeit wird untersucht, ob eine Deposition von Kieselglas auf optischen Fasern mit einem CO2-Laser möglich ist. Die so erzeugte Beschichtung dient zur Entsorgung/Auskopplung von unerwünschter Laserstrahlung in der Faser über einen großen Leistungsbereich, wodurch auch der Einsatz in Hochleistungs-Fasersteckern möglich ist. Nach der Beschichtung wurde der Kieselglasschmauch durch einen weiteren CO2-Laserprozess auf der Faseroberfläche verfestigt. Anschließend erfolgte eine umfangreiche Charakterisierung, dieser auch als Modenabstreifer bezeichneten Faserbeschichtung. Zunächst wurden Struktur und Zusammensetzung der Beschichtung mit einem Lichtmikroskop, einem Rasterelektronenmikroskop und einem Röntgendiffraktometer untersucht. Die materialwissenschaftlichen Untersuchungen bestätigten eine poröse Schicht aus Kieselglasschmauch mit ungleichmäßig dichter Verteilung. Über Dämpfungsmessungen und Messungen der Numerischen Apertur für verschieden lang beschichtete Fasern konnten Aussagen über die Funktion und Wirkungsweise gewonnen werden. Der dabei verwendete Laserleistungsbereich von einigen 100 mW bis über 200 W bestätigte eine erfolgreiche und uneingeschränkte Eignung auch für hohe Laserleistungen. Die abschließenden Untersuchungen zur Biege- und Zugfestigkeit lieferten unterschiedliche Ergebnisse. Während die Biegeversuche nur eine geringe Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit in Bezug auf eine unbeschichtete Faser zeigten, wiesen die Zugversuche eine relativ hohe Streuung auf. Hinsichtlich der mechanischen Festigkeit als auch Homogenität der Beschichtung sind weitere Untersuchungen für belastbarere Aussagen erforderlich. Schlagwörter: Modenabstreifer, Deposition von Kieselglas, CO2-Laser, Entfernen von Mantelmoden, Kieselglasschmauch
Optimierung eines Messverfahrens zur Charakterisierung keramischer Extrusionsmassen. - 50 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
Vorstellung von zwei Messverfahren, mit denen man Parameter bestimmen kann, die für die Fließeigenschaften einer keramischen Extrusionsmasse stehen. Dazu werden die theoretischen Grundlagen erklärt und mit Beispielen untersetzt.
Untersuchung zur Verwendung von Hochtemperatursupraleitungen als Magnetfeldquelle für die Lorentzkraft-Anemometrie an Elektrolytströmungen. - 68 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit wird in der Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) die Reaktionskraft genutzt, die auf ein Magnetsystem wirkt, welches sich in der Nähe eines Kanals mit einem strömenden elektrisch leitfähigen Fluid befindet. In der vorliegenden Arbeit werden die physikalischen Zusammenhänge der LKA sowie die Grundlagen und Handhabung von Hochtemperatursupraleitern (HTSL) im flüssigen Stickstoff (LN2) Bad beschrieben. Dazu wurde ein Verfahren zum Einfrieren des Magnetfeldes kommerziell erworbener HTSL-Bulk auf YBCO Basis unter Verwendung eines vorhandenen 5-T cryogenfreiem Hochfeldmagneten (5-T CFM) erarbeitet. Für einen kommerziell erworbenen HTSL-Typ (YBCO, Hersteller: ATZ GmbH, Deutschland/Torgau) werden die Grenzen der einfrierbaren Magnetfelder bei unterschiedlichen Bulkgeometrien und eingestellten externer magnetischen Flussdichten bei 77 K präsentiert. Die magnetische Flussdichteverteilung in der Nähe der Oberfläche des HTSL-Bulks wird mit einem für die Kryotemperatur angepassten Messaufbau ermittelt, um auf Basis des Beanmodell's die eingeprägte kritische Stromdichte im HTSL-Bulk abzuschätzen. Mit Hilfe dieser modellierten Stromdichte wird die Flussdichteverteilung und damit bei konstant strömenden Elektrolyt, die auf die HTSL wirkende Lorentzkraft berechnet. Eine Vergleichssimulation mit NdFeB-Magnete der gleichen Masse zeigt letztlich das Potenzial der HTSL bei Einsatz in der LKA auf.
Oberflächenbehandlung von Glaspresslingen und Cu-/Al-Bauteilen zur Haftungsoptimierung in Glas-Metall-Durchführungen für Li-Ionen Akkumulatoren. - 132 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
Aufgrund der Bestrebung von Gewichtsreduktionen und des guten, natürlichen Korrosionsschutzes, wird vorwiegend das Leichtmetall Aluminium zur Fertigung von Li- Ionen-Akkumulatorgehäusen verwendet. Dies hat zur Folge, dass an das Gehäuse anzubringende Komponenten aus demselben Material gefertigt sein müssen, um eine Verbindung mittels Verschweißen herstellen zu können. Deshalb befasst sich die vorliegende Bachelorarbeit mit der Oberflächenbehandlung von Einzelkomponenten einer neuen Art von Glas-Metall-Durchführung, die als GTAS® bzw. Glass-To-Aluminium- Seal bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um eine hermetisch dichte Einglasung aus Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen, welche dazu dient, einen spannungsführenden Leiter von seiner Umgebung zu isolieren. Im Akkumulator besitzt sie die Funktion, den Elektrolyt abzuschirmen und gleichzeitig die Elektroden mit der Elektrik und Elektronik zu verbinden. Durch eine effektive und aufeinander abgestimmte Anpassung der Bauteiloberflächen soll eine Haftungsoptimierung erzielt werden, wodurch die hermetische Dichtheit der Durchführung garantiert und die mechanische Belastungsgrenze erhöht wird. Hierzu werden chemische, physikalische und thermische Behandlungsmethoden an der Materialoberflächen getestet und ausgewertet.
Untersuchung des Einflusses von magnetischen Feldgradientenkräften auf die Verteilung paramagnetischer Ionen in Modellglasschmelzen bei Flussdichten B > 1 T. - 156 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2012
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses magnetischer Feldgradientenkräfte auf die Verteilung paramagnetischer Ionen in Modellglasschmelzen bei Flussdichten von B > 1 T. Sie findet im Rahmen des DFG geförderten Projektes "Manipulation von Ionenverteilungen in Glasschmelzen mittels magnetischer Feldkräfte - Experiment und Simulation" (HA 2338/4-1) statt. Als Modellglas wurde eine Glasschmelze aus dem System BaO-B2 O3 -Fe2O3 mit einer Sollzusammensetzung von 40 mol-% BaO, 33 mol-% B2O3 und 23 mol-% Fe2O3 benutzt. Dazu wurden auf Basis des in der Fachliteratur bekannten Phasendiagramms die Kristallisation und ausgehend von grundlegenden Betrachtungen zum Magnetismus die darauf wirkenden Kraftdichten abgeschätzt, wobei hierfür Theorien der Festkörperphysik zu Grunde liegen. Weiterhin wurden Tiegelschmelzexperimente bei 1350˚C mit der vorgeschmolzenen Modellglasschmelze mit einem Rohrofen an verschiedenen Positionen in einem 5T kryogenfreien Magnetsystem der Firma Cryogenics Ltd. durchgeführt, welches ein magnetisches Gleichfeld von bis zu 5 T und die entsprechenden magnetischen Feldgradienten erzeugt. Zum Vergleich wurde ein Experiment ohne äußeren magnetischen Feldeinfluss durchgeführt. Ein weiteres Experiment wurde mit einer maximalen magnetischen Feldgradientenkraftdichte des Magnetsystems von ca. 60 N/cm3 entgegen der Schwerkraft und ein letztes mit einer magnetischen Feldgradientenkraftdichte des Magnetsystems von ca. 55 N/cm3, die entgegen der Schwerkraft wirkt, vorgenommen. Die Positionierung erfolgte axial im Magnetsystem. Aus den erstarrten Schmelzen wurden örtlich definiert Proben entnommen und daran Untersuchungen zur Dichte, den magnetischen Eigenschaften (VSM) sowie zur Phasenanalyse (XRD) und den chemischen Eigenschaften (RFA, Cerimetrie, ICP-OES) vorgenommen, um etwaige Veränderungen der Verteilung der paramagnetischen Ionen (Fe2+ und Fe3+) in der Schmelze unter der Einwirkung der magnetischen Feldgradientenkräfte zu untersuchen. Zusätzlich wurde das Erstarrungsverhalten (STA) der Schmelze untersucht. Hierbei ergaben sich bei der Bestimmung der magnetischen Eigenschaften, der Dichte sowie der Verteilung an Fe2+-Ionen Ergebnisse, die mit der Wirkung der magnetischen Feldgradientenkraft interpretiert werden können. Allerdings wirken bei der Erstarrung der Schmelze viele Einflussfaktoren, die schwer abzuschätzen und zu kontrollieren waren, sodass innerhalb dieser Arbeit nicht geklärt werden konnte, in welchem Maße die magnetische Feldgradientenkraft für die gefundenen Veränderungen verantwortlich ist und ob sie die Ionenverteilung in der Schmelze vor den Phasenbildungen verändert hat oder nur auf die in der Schmelze entstehenden ersten Kristallphasen wirkt. Ein direkter Nachweis bleibt damit Gegenstand der weiteren Forschung.
Sol-Gel basierte Elektrodenmaterialien für Polymer-Solarzellen. - 99 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
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.