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Sprache

  • Deutsch (14)
  • Englisch (11)

Referierte Publikation

  • nein (18)
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Schlagworte

  • Ellipsometrie (3)
  • Ellipsometry (3)
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Tribological performance of titanium samples oxidized by fs-laser radiation, thermal heating, or electrochemical anodization (2018)
Kirner, Sabrina V. ; Slachciak, Nadine ; Elert, Anna M. ; Griepentrog, Michael ; Fischer, Daniel ; Hertwig, Andreas ; Sahre, Mario ; Dörfel, Ilona ; Sturm, Heinz ; Pentzien, Simone ; Koter, Robert ; Spaltmann, Dirk ; Krüger, Jörg ; Bonse, Jörn
Commercial grade-1 titanium samples (Ti, 99.6%) were treated using three alternative methods, (i) femtosecond laser processing, (ii) thermal heat treatment, and (iii) electrochemical anodization, respectively, resulting in the formation of differently conditioned superficial titanium oxide layers. The laser processing (i) was carried out by a Ti:sapphire laser (pulse duration 30 fs, central wavelength 790 nm, pulse repetition rate 1 kHz) in a regime of generating laser-induced periodic surface structures (LIPSS). The experimental conditions (laser fluence, spatial spot overlap) were optimized in a sample-scanning setup for the processing of several square-millimeters large surface areas covered homogeneously by these nanostructures. The differently oxidized titanium surfaces were characterized by optical microscopy, micro Raman spectroscopy, variable angle spectroscopic ellipsometry, and instrumented indentation testing. The tribological performance was characterized in the regime of mixed friction by reciprocating sliding tests against a sphere of hardened steel in fully formulated engine oil as lubricant. The specific tribological performance of the differently treated surfaces is discussed with respect to possible physical and chemical mechanisms.
A Small-Scale Test Bridge for Measurement and Model-based Structural Analysis (2019)
Wu, Cheng-Chieh ; Weisbrich, S. ; Neitzel, F. ; Kadoke, Daniel ; Fischer, Michael ; Kohlhoff, Harald
The Measurement- and Model-based Structural Analysis (MeMoS) integrates a finite element model into least squares adjustment and thus allows to evaluate a mechanical model and measurements in a combined analysis. To examine the capability to detect and localise damage using this integrated analysis MeMoS, a small-scale truss bridge made of aluminium profiles is built as a test specimen for this purpose.
Mueller-matrix imaging ellipsometry of structural anomalies and inhomogenities (2019)
Fischer, Daniel
In the last years, the implementation of imaging ellipsometry in the variety of optical characterization techniques has shown tremendous potential to analyze the topology of surfaces in the lateral dimension. In the later studies, this contrast-rich surface images were affiliated with changes of the refraction indices, Absorption bands or layer thicknesses. However, it was realized that additional factors like curvature or scattering can have a great Impact on the ellipsometric readout of the analyzed system. In this study, we focus on the systematic evaluation of structural anomalies and inhomogenities of several Basic systems. This includes spherical particles as a model for microscopic curved surfaces in a range of 0.25 to 25 μm in diameter. In the macroscopic regime several conventional convex lenses were analyzed. Additional affords were made to generate microscopic concave model systems by applying nanoindentation with a spherical indentation unit. With this method calottes with a depth of 0.04 to 2 μm and radius of 2.5 μm were made. The macroscopic counterpart is delivered by conventional concave lens systems. For all systems, a variety of different bulk materials was investigated. This includes metal oxides, metals and polymers as well as combinations of each by applying coatings on the bulk materials with different layer thicknesses. To analyze these structural anomalies and inhomogenities properly, Mueller-Matrix imaging ellipsometry is the method of choice to address cross- and depolarization effects that occur due to the curved surfaces. Supplementary methods were used for an independent characterization of the topological properties of all structural anomalies and inhomogenities. This includes AFM and SEM for the microscopic samples (microparticles and nanoindented holes) and white light interferometry for the macroscopic lenses. This study results in a systematic screening of different coated and uncoated material systems with a topology that does not fit into conventional ellipsometry and thus is analyzed by Muller-Matrix imaging ellipsometry. This will help in quality control and is a contribution to the understanding of the polarizing effects of non-ideal Systems analyzed by ellipsometry.
A small-scale test bridge for measurement- and model-based structural analysis (2018)
Wu, Cheng-Chieh ; Kadoke, Daniel ; Fischer, Michael ; Kohlhoff, Harald ; Weisbrich, S. ; Neitzel, F.
To examine the capability to detect and localise damage using the Measurement- and Model-based Structural Analysis (MeMoS), a small-scale truss bridge (1520 mm × 720 mm × 720 mm) made of aluminium profiles is built as a test specimen for this purpose. The truss frame of the test bridge is made of aluminium profiles with a sophisticated design of the cross-sectional area. In comparison, with solid profiles, only a fraction of the material is needed to produce the profiles, while their bending resistance decreases slightly. The profiles are built into a truss frame by connecting them by means of fastening sets made of steel. The bridge model is mounted on four steel bearings which each of them consist of a cylinder arranged between two plates. Fixed bearings are made by holding onto one end of the bridge. The bridge is subjected by an external load by placing a heavy object beneath it. At the same time, measurements can be conducted below the bridge. Therefore, the bridge specimen is elevated by attaching it on a pedestal with four columns. Damages can be induced by loosening the fastening pieces.
Zerstörungsfreie Charakterisierung und Qualitätssicherung der Materialeigenschaften und Beständigkeit additiv gefertigter Kunststoffteile (2018)
Franz, Philipp ; Metz, Christain ; Brackrock, Daniel ; Fischer, C. ; Wachtendorf, Volker ; Maierhofer, Christiane
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometry (2019)
Fischer, Daniel
In den letzten Jahren hat die Einbindung der abbildenden Ellipsometrie in die Gruppe der optischen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung ein enormes Potential bei der Analyse von topologischen Strukturänderungen gezeigt. Der dabei abgebildete Kon-trast wurde typischerweise auf Änderungen im Brechungsindex, Absorptionseffekte oder Schichtdickenänderungen zurückgeführt. In späteren Studien wurde festgestellt, dass auch andere Faktoren, wie etwa die Krümmung der Oberfläche oder Kanten von Struktu-ren einen signifikanten Einfluss auf die Messung der ellipsometrischen Paramater haben. Um diese Effekte aus der ellipsometrischen Messung extrahieren zu können, wird auf die Analyse der Müller-Matrix zurückgegriffen. In dem hier vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Müller-Matrix-Imaging Ellipsomet-rie (MM-IE) zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Dazu werden mikro- und nanoskaliert gekrümmte Oberflächen zunächst mit verschiede-nen Referenzmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Lichtmikroskopie (OM), Weißlichtinterferenzmikroskopie (WLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) vali-diert erfasst. Der anschließende Vergleich mit den Ergebnissen der Müller-Matrix-Ima-ging-Ellipsometrie ermöglicht eine Korrelation der zugrunde liegenden Strukturphäno-mene mit den ellipsometrischen Daten. In diesem Artikel wird das Prinzip an drei industriell relevanten Strukturgruppen demonstriert: Sub-Mikropartikel, Mikropartikel und sub-mikroskalierte Vertiefungen.
Charakterisierung von dotierten Zinnoxidschichten für die Detektion von Gasen durch ellipsometrische Messung der Oberflächenplasmonenresonanz (2017)
Fischer, Daniel
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.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometrie (2019)
Fischer, Daniel ; Beck, Uwe
In den letzten Jahren hat die Einbindung der abbildenden Ellipsometrie in die Gruppe der optischen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung ein enormes Potential bei der Analyse von topologischen Strukturänderungen gezeigt. Der dabei abgebildete Kon-trast wurde typischerweise auf Änderungen im Brechungsindex, Absorptionseffekte oder Schichtdickenänderungen zurückgeführt. In späteren Studien wurde festgestellt, dass auch andere Faktoren, wie etwa die Krümmung der Oberfläche oder Kanten von Struktu-ren einen signifikanten Einfluss auf die Messung der ellipsometrischen Paramater haben. Um diese Effekte aus der ellipsometrischen Messung extrahieren zu können, wird auf die Analyse der Müller-Matrix zurückgegriffen. In dem hier vorliegenden Beitrag wird gezeigt, wie die Müller-Matrix-Imaging Ellipsomet-rie (MM-IE) zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Dazu werden mikro- und nanoskaliert gekrümmte Oberflächen zunächst mit verschiede-nen Referenzmethoden, wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Lichtmikroskopie (OM), Weißlichtinterferenzmikroskopie (WLIM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) vali-diert erfasst. Der anschließende Vergleich mit den Ergebnissen der Müller-Matrix-Ima-ging-Ellipsometrie ermöglicht eine Korrelation der zugrunde liegenden Strukturphäno-mene mit den ellipsometrischen Daten. In diesem Artikel wird das Prinzip an drei industriell relevanten Strukturgruppen demonstriert: Sub-Mikropartikel, Mikropartikel und sub-mikroskalierte Vertiefungen.
Dependence of the optical constants and the performance in the SPREE gas measurement on the thickness of doped tin oxide over coatings (2017)
Fischer, Daniel ; Hertwig, Andreas ; Beck, Uwe ; Negendank, Detlef ; Lohse, Volkmar ; Kormunda, M. ; Esser, N.
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.
Thin SnOx films for surface plasmon resonance enhanced ellipsometric gas sensing (SPREE) (2017)
Fischer, Daniel ; Hertwig, Andreas ; Beck, Uwe ; Lohse, V. ; Negendank, D. ; Kormunda, M. ; Esser, N.
Background: Gas sensors are very important in several fields like gas monitoring, safety and environmental applications. In this approach, a new gas sensing concept is investigated which combines the powerful adsorption probability of metal oxide conductive sensors (MOS) with an optical ellipsometric readout. This concept Shows promising results to solve the problems of cross sensitivity of the MOS concept. Results: Undoped tin oxide (SnOx) and iron doped tin oxide (Fe:SnOx) thin add-on films were prepared by magnetron sputtering on the top of the actual surface plasmon resonance (SPR) sensing gold layer. The films were tested for their sensitivity to several gas species in the surface plasmon resonance enhanced (SPREE) gas measurement. It was found that the undoped tin oxide (SnOx) shows higher sensitivities to propane (C3H8) then to carbon monoxide (CO). By using Fe:SnOx, this relation is inverted. This behavior was explained by a change of the amount of binding sites for CO in the layer due to this iron doping. For hydrogen (H2) no such relation was found but the sensing ability was identical for both layer materials. This observation was related to a different sensing mechanism for H2 which is driven by the Diffusion into the layer instead of adsorption on the surface. Conclusion: The gas sensing selectivity can be enhanced by tuning the properties of the thin film overcoating. A relation of the binding sites in the doped and undoped SnOx films and the gas sensing abilities for CO and C3H8 was found. This could open the path for optimized gas sensing devices with different coated SPREE sensors.
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