Filtern
Dokumenttyp
- Vortrag (12)
- Zeitschriftenartikel (10)
- Beitrag zu einem Tagungsband (2)
- Dissertation (1)
- Posterpräsentation (1)
- Forschungsbericht (1)
Schlagworte
- Ellipsometrie (3)
- Ellipsometry (3)
- Mueller-Matrix imaging ellipsometry (3)
- Spectroskopic Imaging (3)
- Brechungsindex (2)
- Coatings (2)
- Doped tin oxide (2)
- Femtosecond laser (2)
- Gas sensing (2)
- Mikroskaliert (2)
Organisationseinheit der BAM
- 6 Materialchemie (11)
- 6.7 Materialsynthese und Design (10)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (3)
- 5 Werkstofftechnik (1)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (1)
- 6.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (1)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (1)
- 9 Komponentensicherheit (1)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (1)
Eingeladener Vortrag
- nein (12)
In der vorliegenden Dissertation wird die Verbesserung von Gassensoren durch Beschichtung mit dotierten Zinnoxidschichten untersucht, wobei zur Messung der Gase die Methode der oberflächenplasmonenresonanzverstärkten Ellipsometrie (SPREE) angewendet wurde. Die vorgestellten Ergebnisse unterteilen sich dabei in drei Schritte: Herstellung der Schichtsysteme, Analyse der chemischen, strukturellen und optischen Eigenschaften, sowie die Anwendung in der SPREE Gasmessung. Die dotierten Zinnoxidschichten wurden erfolgreich mittels Hochfrequenz-Magnetronsputtern hergestellt, indem das Zinnoxidtarget mit dem metallischen Dotierungsmaterial (Eisen bzw. Nickel) modifiziert wurde. Die chemische Analyse der Schichten wurde mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) und Röntgenfluoreszenz unter streifendem Einfall (GI-XRF) durchgeführt. Die EDX Untersuchungen zeigten qualitativ, dass das Dotierungsmaterial in die Schicht eingebaut wurde. Mithilfe der TOF-SIMS Experimente konnte nachgewiesen werden, dass die Dotierungskonzentration innerhalb der Schicht heterogen verteilt ist und mithilfe der GI-XRF Messung konnte der Dotierungsgrad quantitativ mit ca. 10% bestimmt werden. Für die strukturelle Untersuchung wurden die Methoden der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ausgewählt. Die AFM Messungen zeigten, dass die Schichten eine mittlere quadratische Rauheit kleiner als 1 nm aufweisen und die Rauheit damit nicht als Faktor in der Gasmessung berücksichtigt werden muss. In den TEM Messungen wurde der Schichtaufbau bestätigt und gezeigt, dass in den dotierten Schichten nanokristalline Strukturen vorliegen. Die optische Charakterisierung der Schichten wurde mit spektraler Ellipsometrie (SE) durchgeführt, um die dielektrische Funktion in Abhängigkeit der Dotierung zu untersuchen. Dafür wurden Modelle für die dielektrische Funktion auf der Basis von mehreren Gauss-Funktionen entwickelt. Es zeigte sich, dass die undotierten Schichten sich wie typische Dielektrika mit Bandkanten >4 eV verhält und mit drei Gauss-Funktionen simuliert werden kann. Für die dotierten Schichten verschiebt sich die Bandkante, in Abhängigkeit vom Grad der Dotierung und dem Oxidationsgrad, zu bis zu 2.1 eV. Außerdem muss das Modell um eine zusätzliche Gauss-Funktion im nahen Infrarot erweitert werden, die auf die Anwesenheit von metallischen Nanopartikeln zurückzuführen ist. Weiterhin zeigte sich, dass die dielektrischen Eigenschaften von der Dicke der Schicht abhängen. Die Benutzung der Zusatzschichten in der SPREE Gasmessung zeigte, dass diese Schichten die Sensoroberfläche effektiv vor Degradation schützt. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Sensitivität der jeweiligen Sensorschicht für bestimmte Gase von der Dotierung der Schicht abhängt. Es wurde gezeigt, dass eine Eisendotierung zu einer erhöhten Sensitivität für Kohlenmonoxid führt, während undotierte Schichten vor allem unpolare Alkane bevorzugen. Die Nickel-dotierten Schichten zeigten im Vergleich zur Eisendotierung deutlich schlechtere Ergebnisse für alle Gase. Diese Effekte wurden auf die unterschiedliche Bindungsstärke der Gase an die metallischen Nanopartikel und das Vorhandensein einer unterschiedlichen Zahl an Adsorptionsplätzen zurückgeführt. Für Wasserstoff wurden für alle Proben vergleichbare Ergebnisse gefunden, was darauf zurückzuführen ist, dass diese Moleküle aufgrund der geringen Größe und Masse in die Schicht diffundieren. Zusätzlich wurde das SPREE Verfahren signifikant verbessert, indem die Druckabhängigkeit Sensoren erstmals erfasst wurde. Weiterhin wurde die Auswertung weiterentwickelt, indem nur einzelne Parameter des Stokes-Vektors für die Gasmessung benutzt wurden.
In this study, thickness related changes of the optical properties of doped tin oxide were studied. Two different sets of samples were prepared. The first set was doped with iron or nickel on silicon substrate with thicknesses of 29–56 nm, the second was iron doped on gold/glass substrate with 1.6–6.3 nm. The optical constants were determined by using spectral ellipsometry (SE) followed by modelling of the dielectric function with an oscillator model using Gaussian peaks. The analysis of the optical constants shows a dependence of the refraction and the absorption on the thickness of the doped tin oxide coating. In addition to the tin oxide absorption in the UV, one additional absorption peak was found in the near-IR/red which is related to plasmonic effects due to the doping. This peak shifts from the near-IR to the red part of the visible spectrum and becomes stronger by reducing the thickness, probably due to the formation of metal nanoparticles in this layer. These results were found for two different sets of samples by using the same optical model. Afterwards the second sample set was tested in the Surface Plasmon Resonance Enhanced Ellipsometric (SPREE) gas measurement with CO gas. It was found that the thickness has significant influence on the sensitivity and thus the adsorption of the CO gas. By increasing the thickness from 1.6 nm to 5.1 nm, the sensing ability is enhanced due to a higher coverage of the surface with the over coating. This is explained by the high affinity of CO molecules to the incorporated Fe-nanoparticles in the tin oxide coating. By increasing the thickness further to 6.3 nm, the sensing ability drops because the layer disturbs the SPR sensing effect too much.
Coatings deposited by magnetron co-sputtering from a single RF magnetron with a ceramic SnO2 target with iron inset in argon plasma were studied. The mass spectra of the process identified Sn+ and SnO+ species as the dominant species sputtered from the target, but no SnO2+ species were detected. The dominant positive ions in argon plasma are Ar+ species. The only detected negative ions were O-. Sputtered neutral tin related species were not detected. Iron related species were also not detected because their concentration is below the detection limit.
The concentration of iron dopant in the tin oxide coatings was controlled by the RF bias applied on the substrate holder while the discharge pressure also has some influence. The iron concentration was in the range from 0.9 at.% up to 19 at.% increasing with the substrate bias while the sheet resistivity decreases. The stoichiometry ratio of O/(Sn + Fe) in the coatings increased from 1.7 up to 2 in dependence on the substrate bias from floating bias (- 5 V) up to - 120 V of RF self-bias, respectively. The tin in the coatings was mainly bonded in Sn4 + state and iron was mainly in Fe2 + state when other tin bonding states were detected only in a small amounts. Iron bonding states in contrary to elemental compositions of the coatings were not influenced by the RF bias applied on the substrate.
The coatings showed high transparency in the visible spectral range. However, an increased metallic behavior could be detected by using a higher RF bias for the deposition. The X-ray diffraction patterns and electron microscopy pictures made on the coatings confirmed the presence of an amorphous phase.
The aim of this study is to develop nanometer-thin epoxy-based films on aluminium alloy AA2024-T3 as a model coating system for high resolution corrosion studies. Spin coating was used for the layer-by-layer (LbL) deposition of poly-(ethylenimine) (PEI) and poly([o-cresyl glycidyl ether]-co-formaldehyde) (CNER) bilayers. The film chemistry and the cross-linking process were characterized by means of Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR).
Ellipsometric data confirmed the linear increase of film thickness. The potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results indicate the improvement of the film barrier properties with increasing film thickness. Mapping of the topography and the volta potential was performed by means of scanning Kelvin probe force microscopy (SKPFM).
The results indicate the presence of a homogeneous film structure, while the intermetallic phases can still be identified below the coating. The SKPFM Analysis confirmed that the model films are suitable for investigation of corrosion processes at the coating/metal interface.
The authors describe and interpret curvature-related changes to the ellipsometric readout. As model system for a concave curvature, a set of three spherical microscopic indents in silicon (100) of different sizes was prepared by instrumented indentation testing using a spherical indenter. For reference, these samples were characterized by AFM to reveal the topography of each structure. The concavelike indents were analyzed by Mueller-Matrix imaging ellipsometry to extract lateral intensity images of 12 elements of the Mueller-Matrix. As a result of the detailed analysis of the image elements m22, m23, and m14, it was possible to correlate intensity changes and symmetry properties to depolarization and cross polarization induced by the edge threshold and the curved surface of the indent.