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Organisationseinheit der BAM
Laser ablation of single-crystalline indium phosphide (InP) was performed in air by means of linearly polarized Ti:sapphire femtosecond-pulses (800 nm, 130 fs, 10 Hz). As a result of the first laser pulses, several morphological changes (crater formation, rim formation, ripple structures and cones) were observed. These effects were explored using force modulation microscopy (FMM), a technique based on scanning force microscopy (SFM), allowing the simultaneous imaging of both topography and local stiffness at a high lateral resolution. The first laser pulse induces the formation of a protruding rim (height <20 nm, width ~300 nm) bordering the ablated crater. A Fourier-analysis of the multi-pulse generated topographies reveals the formation of wavelength-sized periodic ripples (modulation depth <100 nm) with an orientation perpendicular to that of the electric field vector of the laser radiation. Besides these morphological alterations, also material modifications were observed in the irradiated regions by means of the FFM technique. Within the ablated craters, local stiffness variations were found revealing an inhomogeneous material composition/structure as a consequence of the femtosecond pulse laser treatment.
Energetische Materialien enthalten gespeicherte chemische Energie. Diese potentielle Energie kann bei Zündung schlagartig als Strahlungsenergie und Druckerhöhung freigesetzt werden. Nanoskalige Komponenten erhöhen zusätzlich die innere Energie des Materials um den Beitrag der Oberflächenenergie und verbessern die chemische Umsetzung durch bessere Durchmischung. Die hot-spot-Theorie zur Zündung von Explosivstoffen kombiniert mechanische Stimulation und einer dabei zu erreichenden Schwellwert-Energie mit der Temperatur. Wird die Energie zum exothermen Bindungsbruch etwa beim Reibvorgang erreicht entsteht auf der molekularen Skala ein hot-spot. Der Stoff explodiert, wenn der hot-spot ausreichend lange besteht, sich verstärkt und nicht durch Energiedissipation (Festkörperschallausbreitung, Wärmediffusion) verzehrt wird.
Rasterkraftmikroskopie (AFM atomic force microscopy) dient nicht nur zur bildgebenden Vermessung der Topographie und der mechanischen Eigenschaften, sondern kann auch zur gezielten Veränderung der Oberflächen verwendet werden. Solche lithographischen Verfahren bedienen sich im AFM-Kontaktmodus (Scratching Lithography) direkt der Reibung, im hochfrequenten intermittierenden Kontaktverfahren realisiert man einen vibrierenden Kontaktes (Dynamic Plowing Lithography), der beim Eindringen in eigenen Indentationseindruck reibt. In beiden Fällen überträgt man durch Kombination einer Scherbewegung mit einer Variation des Kontaktdrucks Energie auf die Oberfläche, was nachweislich zum chemischen Bindungsbruch z.B. auf Polymeroberflächen führt. Zwei kristalline Explosivstoffe werden untersucht und sowohl dissipative Effekte als auch die Generierung eines hot-spots demonstriert.
Durch das Füllen von Polymeren mit Nanopartikeln oder Nanoröhren werden verbesserte Materialeigenschaften z.B. bezüglich mechanischer Stabilität, Witterungsbeständigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Flammschutz angestrebt. Mit dem vermehrten Einsatz derartiger Nanokomposite gewinnen aber auch Fragen des Umwelt- und Gesundheitsschutzes an Bedeutung. Es gilt zu klären, ob durch Herstellung, Benutzung und Witterungsbeanspruchung möglichweise nanoskalige Partikel freigesetzt werden können. Zu diesem Zweck wurden mit Kohlenstoffnanoröhren, Carbon Nanotubes (CNT), gefüllte Polymerkomposite spektral breitbandig wie auch quasimonochromatisch unter variierter klimatischer Beanspruchung bestrahlt. Die sich vor allem an der Oberfläche mit der Alterung abzeichnenden Veränderungen wurden mikroskopisch und spektroskopisch charakterisiert.
In this paper we present results of our recent efforts to understand the mechanical interface behaviour of single-walled carbon nanotubes (CNTs) embedded in metal matrices. We conducted experimental pull-out tests of CNTs embedded in Pd or Au and found Maximum forces in the range 10 - 102 nN. These values are in good agreement with forces obtained from molecular Dynamics simulations taking into account surface functional Groups (SFGs) covalently linked to the CNT material. The dominant failure mode in experiment is a CNT rupture, which can be explained with the presence of SFGs. To qualify the existence of SFGs on our used CNT material, we pursue investigations by means of fluorescence labeling of surface species in combination with Raman imaging. We also report of a tensile test system to perform pull-out tests inside a transmission electron microscope to obtain in situ images of CNT-metal interfaces under mechanical loads at the atomic scale.