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Iron-doped SnO2 coatings were deposited in a 50 kHz DC-pulsed magnetron sputtering discharge. The pulses had a duration of 4 µs in selected gas mixtures from pure argon up to
60% of oxygen at a constant total pressure of 0.2 Pa. A single target of SnO2 with Fe inset was used. The mass spectrometry study detected the gas-related ions Ar+, O2+ and O+, where the last one becomes the dominant positive ion at higher oxygen contents. Atomic oxygen ions had a higher energy as it resulted from the collision-caused dissociation on the target surface. The tin-related species were detected as Sn+ and SnO+. SnO2+ species were not detected. The deposition rate decreased by using gas mixtures with oxygen as well as the corresponding amount of Sn-related species in the plasma. The increase of oxygen also increased significantly the sheet resistance of the films. The XPS study showed that the iron concentration decreased by using additional oxygen. But the O/Sn ratio in the coatings was constant, contrary to the increased FeO/Fe ratio in the films. An additional analysis of the coatings by spectroscopic ellipsometry has shown a dependence of the polarizability and the permittivity on the amount of oxygen used during the deposition. In contrast, the study has found no such dependence for the absorption of the layers.
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.
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.
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.
Dye-stained micrometer-sized polymer beads are important tools in the life sciences with applications in biomedical, biochemical, and clinical research. Here, bead-based assays are increasingly used, for example, in DNA sequencing and the detection of autoimmune diseases or pathogenic microorganisms. Moreover, stained beads are employed as calibration tools for fluorescence microscopy and flow cytometry methods with increasing complexity. To address the requirements concerning the relevant fluorescence features, the spectroscopic properties of representative polymer beads with diameters ranging from about 1 to 10 μm stained with varying concentrations of rhodamine 6G were systematically assessed. The observed dependence of the spectral properties, fluorescence decay kinetics, and fluorescence quantum yields on bead size and dye loading concentration is attributed to different fluorescence characteristics of fluorophores located in the particle core and near-surface dye molecules. Supported by the fluorescence anisotropy measurements, the origin of the observed alteration of fluorescence features is ascribed to a combination of excitation energy transfer and polarity-related effects that are especially pronounced at the interface of the bead and the surrounding medium. The results of our studies underline the need to carefully control and optimize all Parameters that can affect the fluorescence properties of the dye-stained beads.
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.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometry
(2019)
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.