Studienabschlussarbeiten

Gegenstand dieser Arbeit ist die badfreie Vorbehandlung von Reintitan und der Legierung Ti-6Al-4V mit dem Ziel, die adhäsive Anbindung von Klebstoffen zu verbessern. Als Vorbehandlungsmethoden werden die thermische Oxidation in einem elektrischen Umluftofen sowie die Bestrahlung mit einem gepulsten Nd-YAG-Infrarotlaser an Luft untersucht. Die vorbehandelten Proben werden hinsichtlich der Topographie, der chemischen Zusammensetzung und der kristallinen Struktur der Oberfläche charakterisiert. Des Weiteren erfolgt eine Untersuchung zum Einfluss der Vorbehandlung auf die Klebfestigkeiten bei Einsatz eines einkomponentigen, warmhärtenden Epoxidharzklebstoffes. Die Hälfte der geklebten Prüfkörper wird nach Luftlagerung bei Raumtemperatur sowie die andere Hälfte nach Auslagerung unter feuchtwarmen Bedingungen (ca. 100 Stunden bei 120˚C und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit) auf ihre Zugscherfestigkeit getestet. Dabei kann gezeigt werden, dass thermisch oxidierte Prüfkörper eine verbesserte adhäsive Anbindung des Klebstoffes im Vergleich zu nicht thermisch behandelten Prüfkörpern ermöglichen. Dieses Resultat spiegelt sich insbesondere in den Zugscherfestigkeitswerten nach feuchtwarmer Auslagerung wider. Eine mögliche Ursache für die Verbesserung der Klebstoffanbindung ist die thermodynamische Stabilisierung der Titanoxidschicht. Diese wird mit Hilfe von Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie nachgewiesen. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die Bestrahlung mit dem Nd-YAG Laser die adhäsive Anbindung des Klebstoffes an Reintitan und Ti-6Al-4V Fügekörper signifikant verbessern kann. Als effektiv erweisen sich kurze Pulse hoher Intensität. Diese können anorganische Oberflächenkontaminationen vollständig entfernen sowie den Anteil organischer Kontaminationen an der Oberfläche reduzieren. Der Wärmeeintrag bewirkt darüber hinaus ein Aufschmelzen der Oberfläche und eine Bildung von Titan-Stickstoff bzw. Titan-Sauerstoffphasen in oberflächennahen Schichten. Eine Mehrfachbehandlung führt zur Ausbildung einer porösen und nanostrukturierten Deckschicht, die eine Dicke von wenigen Mikrometern aufweist. Diese besteht an der Oberfläche hauptsächlich aus Titandioxid. Röntgenbeugungsuntersuchungen zeigen, dass tieferliegende Schichten Anteile der Titan-Sauerstoffphasen Ti2O und TiO enthalten. Die adhäsive Anbindung des Klebstoffes kann bei Klebung derartig vorbehandelter Prüfkörper soweit gesteigert werden, dass die Bruchflächen nach Zugscherbelastung nicht mehr adhäsive, sondern kohäsive Brüche des verwendeten Klebstoffes aufweisen.

Es wurde der Einfluss von nanometer-dünnen Silberschichten als Schmiermittel auf das tribologische Verhalten zwischen subnanometer-rauhem Silizium(100) und Rubin im Ultrahochvakuum (UHV) untersucht. Um den stattfindenden Prozess analysieren zu können, wurden neben der Schichtdicke auch die Relativgeschwindigkeit und Normalkraft systematisch variiert. Die Filme wurden mittels Elektronenstrahlevaporation zu Schichtdicken zwischen 2,5 - 30 nm auf Siliziumproben aufgetragen. Die anschließenden Messungen mit einem Kugel-Ebene-Kontakt-Mikrotribometer ergaben, anstatt einer für Weichmetallfilme üblichen effektiven Schichtdicke, eine ineffektive Schichtdicke, bei der sich ein Maximum des Gleitreibungskoeffizienten ausbildete beziehungsweise die Gleitbewegung gänzlich gehemmt wurde. Der Effekt wurde eine Größenordnung über der Substratrauhigkeit beobachtet. Mit zunehmender Geschwindigkeit änderte sich die Form des Schichtdickenverlaufs von einem maximal- zu einem wendepunktähnlichen Verhalten. Mithilfe dieser Ergebnisse und der nachträglich unter Normalbedingungen durchgeführten Messungen der Verschleißspuren mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) war es möglich, eine erste Hypothese zum Reibungsmechanismus aufzustellen.

Das Anwachsen der Rechenleistung von Computern ist stark mit der fortschreitenden Verkleinerung deren Kernbestandteile (Transistoren und Kabel) verknüpft. Allerdings wird die momentan vorherrschende Siliziumtechnologie an eine Grenze stoßen, die eine weitere Verkleinerung nicht mehr zulässt und damit ein weiteres Ansteigen der Rechenleistung unterbindet. Ein vielversprechender Ansatz um diesen Engpass zu umgehen, ist einzelne Moleküle als aktive Bauelemente zu verwenden und das Konzept molekularer Elektronik auszunutzen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung eines Systems, das eindimensionale Strukturen erzeugt. In einem aktuellen Experiment der Arbeitsgruppe von A. Kühnle an der Universität Mainz wurde ein Materialsystem präsentiert, das eindimensionale Strukturen auf einer nichtleitenden Oberfläche produziert. Dieses System ist ein vielversprechender Startpunkt für die Entwicklung von selbstassemblierten und selbstorganisierten Strukturen, die als Kabel für molekulare Elektronik verwendet werden könnten. Das Wachstum dieser Strukturen weist ein interessantes Reifungsverhalten in der Post-Depositions Phase auf. Ziel dieser Arbeit ist es, die Kernprozesse, verantwortlich für das experimentell beobachtete Verhalten, zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden mehrere Modelle mit steigender Komplexität, der Addition von zusätzliche Prozessen, entwickelt. Die Dynamik wurde mit dem kinetischen Monte Carlo (KMC) Algorithmus simuliert. Die verantwortlichen Prozesse wurden als Dimerbildung und Kantendiffusion identifiziert.

Optische Femtosekunden-Experimente ermöglichen detaillierte Untersuchungen an ungeordneten Strukturen. Als Beispiel sei das quasi-zweidimensionale System aus homogen zufällig verteilten, vertikal ausgerichteten Zinkoxid (ZnO) Nanonadeln genannt. Die Gruppe von Prof. Dr. Lienau in Oldenburg fand in dieser Struktur ungewöhnlich hohe Intensitäten, die auf Lokalisierung schließen lassen. Zeitaufgelösten dreidimensionalen Berechnungen mit den Maxwellgleichungen werden an einem Modellsystem veranschaulicht und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Um das Auftreten von Lokalisierung zu überprüfen, werden statistische Methoden dargelegt und auf die berechneten quadratischen Intensitäten sowie auf die experimentelle Ergebnisse angewendet.

Aufgrund der großen Exzitonen Bindungsenergien von GaN (25 meV) und ZnO (60 meV), in Verbindung mit einem polaren Bindungscharakter, resultiert die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen in starken Polarisationsfeldern mit großen longitudinal-transversalen Energieaufspaltungen, welche sich in Form von longitudinalen und transversalen Moden im Medium ausbreiten. Die Polarisationsfelder werden Exzitonen-Polaritonen genannt und ergeben sich aus der Wechselwirkung von elektromagnetischen Feldern mit Anregungen im Kristall (Exzitonen). Eine Konsequenz von Exzitonen-Polaritonen ist das Auftreten von räumlicher Dispersion. Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss von Exzitonen-Polaritonen auf die optischen Eigenschaften von GaN und ZnO zu untersuchen. Dies geschieht einerseits experimentell durch die Analyse und Auswertung von temperaturabhängigen Reflexionsmessungen an GaN und ZnO und andererseits theoretisch durch die Analyse des Effektes mit Hilfe von zwei verschiedenen Modellen der Dielektrischen Funktion in Abhängigkeit der Temperatur (das Polaritonenmodell und das klassische Lorentz-Oszillatormodell). Die Grundlage der Modelle bildet die Beschreibung innerhalb der linearen Response-Theorie. Im Rahmen dieser wird die Wechselwirkung von Licht und Materie als erzwungene Schwingung von harmonischen Oszillatoren beschrieben.