6.7 Materialsynthese und Design
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With the increasing production of renewable energy and concomitant depletion of fossil resources, the demand for efficient water splitting electrocatalysts continues to grow. Iridium (Ir) and iridium oxides (IrOₓ) are currently the most promising candidates for an efficient oxygen evolution reaction (OER) in acidic medium, which remains the bottleneck in water electrolysis. Yet, the extremely high costs for Ir hamper a widespread production of hydrogen (H₂) on an industrial scale. Herein, the authors report a concept for the synthesis of electrode coatings with template-controlled mesoporosity surface-modified with highly active Ir species. The improved utilization of noble metal species relies on the synthesis of soft-templated metal oxide supports and a subsequent shape-conformal deposition of Ir species via atomic layer deposition (ALD) at two different reaction temperatures. The study reveals that a minimum Ir content in the mesoporous titania-based support is mandatory to provide a sufficient electrical bulk conductivity. After ALD, a significantly enhanced OER activity results in dependency of the ALD cycle number and temperature. The most active developed electrocatalyst film achieves an outstanding mass-specific activity of 2622 mA mg(Ir)⁻¹ at 1.60 V(RHE) in a rotating-disc electrode (RDE) setup at 25 °C using 0.5 m H₂SO₄ as a supporting electrolyte.
Single Femtosecond Laser-Pulse-Induced Superficial Amorphization and Re-Crystallization of Silicon
(2021)
Superficial amorphization and re-crystallization of silicon in <111> and <100> orientation after irradiation by femtosecond laser pulses (790 nm, 30 fs) are studied using optical imaging and transmission electron microscopy. Spectroscopic imaging ellipsometry (SIE) allows fast data acquisition at multiple wavelengths and provides experimental data for calculating nanometric amorphous layer thickness profiles with micrometric lateral resolution based on a thin-film layer model. For a radially Gaussian laser beam and at moderate peak fluences above the melting and below the ablation thresholds, laterally parabolic amorphous layer profiles with maximum thicknesses of several tens of nanometers were quantitatively attained. The accuracy of the calculations is verified experimentally by high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (STEM-EDX). Along with topographic information obtained by atomic force microscopy (AFM), a comprehensive picture of the superficial re-solidification of silicon after local melting by femtosecond laser pulses is drawn.
Silicon is the material responsible for most of the technological developments during the past century, making it one of the most studied materials along different disciplines. However, there are still unturned stones regarding its superficial re-solidification after femtosecond laser-induced local melting. In this presentation, we report irradiation experiments with single femtosecond pulses (790 nm, 30 fs) with a spatially Gaussian distribution on two different types of silicon with orientations <111> and <100>. The surface modifications were studied in detail via different techniques, including optical microscopy, atomic force microscopy, spectroscopic imaging ellipsometry, energy dispersive X-ray spectroscopy and high-resolution transmission electron microscopy. We quantitatively estimate the resulting radial amorphous layer depth profiles with maximum thicknesses around some tenths of nanometers for fluences in between the melting and ablation thresholds. In particular, spectroscopic imaging ellipsometry (SIE) allowed fast data acquisition using multiple wavelengths to provide experimental measurements for calculating the nanometric radial amorphous layer thickness profiles with micrometric lateral resolution based on a thin-film layer model. SIE proved to be capable of detecting and measuring nanometric structural and chemical modifications (oxidation) on the studied laser spots. The accuracy of the SIE-based calculations is verified experimentally by characterizing an in-depth material lamella via high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (STEM-EDX). For completeness, we present a mathematical modelling for the melt layer thickness considering different optical absorption processes including one photon absorption, two photon absorption and free-carrier absorption, highlighting the relevance of the latter one in the femtosecond laser-induced melting of silicon.
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.
Visualisierung von mikro- und nanoskalierten Oberflächenstrukturen mittels abbildender Ellipsometrie
(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.
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.
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.
Ellipsometry has become a powerful measurement tool in semiconductor industry since the sixties of the last century.
Early standardization activities focused exclusively on SiO2/Si (ASTM F 576-01, SEMI 3624). The first generic standard dealing with ellipsometry is DIN 50989-1:2018 Ellipsometry – Part 1: Principles. Standardization is a prerequisite for accreditation according to DIN EN ISO/IEC 17025 and the evaluation of uncertainty budgets.
Ellipsometry is a powerful tool, which allows the investigation of material properties over a broad spectral range. Over the course of several years, the ellipsometry lab at BAM has become an accredited testing lab according to ISO/IEC 17025 laying bare the need of better methods for accuracy and traceability. Despite its wide range of application in both research and development as well as industry, there have been no generally accepted standards dealing with model validation and measurement uncertainties.
Based on the first German standard DIN 50989 – 1: 2018 Ellipsometry - Part 1: Principles (currently international standard ISO 23131: 2021) and under consideration of GUM [1] a series of standards for ellipsometry was developed. The entire 6-part series covers several model-based application cases. This standards series avoids having narrow and material specific application cases but instead classifies applications of ellipsometry according to the sample complexity. The concept of ellipsometric transfer quantities (Ψ and Δ or alternatively the elements of transfer matrices) is implemented in the series. For each application case a model-based validation strategy was developed. Thus, the standards are applicable to all materials, instruments and measuring principles.
The uniform structure concept of the series facilitates its practical applicability for users. The standards include the model-based GUM-compliant determination/estimation of the measurement uncertainties. In addition, the appendices of the documents contain numerous measurement and simulation examples as well as recommendations for measuring practice.
In this contribution we present the application cases and basic structure of the standards developed in collaboration with Accurion GmbH and SENTECH Instruments GmbH in the project SNELLIUS.
For the vast majority of ellipsometric measurements, the application of planar substrates is mandatory and requires a proper sample alignment prior to the measurement. Here, the authors present a generalized approach of how to extract the isotropic ellipsometric sample parameters from an imaging Mueller-matrix measurement even if the sample is significantly misaligned. They validate the method by layer-thickness calculations based on imaging Mueller-matrix measurements of flat crystalline silicon samples that were misaligned on purpose. Furthermore, they also exploit this method’s capabilities to perform spatially resolved layer-thickness measurements of a single-layer indium-tin-oxide coating on a fused-silica microlens without the need of realignment or repositioning of the sample during the measurement.
Outline
- maging ellipsometry: oncept and setup
- Basic theory: ellipsometry on tilted/curved surfaces
- Geometric considerations
- Tilt-induced cross-polarization
- Application: coating analysis on microlensarray
- Mueller-Matrix Imaging
- Conversion to Delta-Psi Image
- Layer-thickness of ITO coating
Crystalline Silicon undergoes a complex phase-change dynamic of melting, amorphization, ablation and re-crystallization upon irradiation with high intensity ultra-short laser pulses [1]. The final state of such a modified surface spot depends on many factors, most notably the local fluence and the surface’s crystal orientation. In this study, we induced superficial structure and phase changes in Silicon <111> and <100> wafers using single femtosecond laser pulses (790 nm, 30 fs) for a range of different peak fluences. The resulting surface modifications were studied in great detail using a number of different techniques, including spectroscopic imaging ellipsometry (SIE), atomic force microscopy, high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and energy dispersive X-ray spectroscopy within scanning transmission electron microscopy (STEM-EDX).
Playing a pivotal role in this work, SIE provided non-destructive measurements for the calculation of the radial amorphous layer-thickness profiles of the irradiated spots using a two-layer thin-film model (Silicon dioxide and amorphous Silicon on a crystalline Silicon substrate). The measurements further allowed for the analysis of the oxide-layer modifications induced by the laser treatment. The results of the SIE-calculations were cross-checked by an in-depth material lamella via HRTEM and STEM-EDX.
Morphology and structure of TixOy nanoparticles generated by femtosecond laser ablation in water
(2018)
In this work femto-second pulsed laser ablation in liquid (PLAL) procedure for the generation of titanium oxide nanoparticles (NP) is reported with the purpose of understanding morphology and structure of the newly generated NPs. Ablation duration was varied for optimization of NP generation processes between 10 and 90 min. Surface morphology of NPs as well as their size and shape (distribution) were analysed by various complementary electron microscopy techniques, i.e. SEM, TSEM and TEM. The crystalline structure of titanium oxide particles was investigated byXRD(two instruments operated in different geometries) and HR-TEM. Concentration of generated titanium oxide NPs in liquid was analysed by ICP-MS. A mix of crystalline (mainly anatase), partly crystalline and amorphous spherical titanium oxide NPs can be reported having a mean size between 10 and 20 nm, which is rather independent of the laser ablation (LA) duration. A second component consisting of irregularly shaped, but crystalline titanium oxide nanostructures is co-generated in the LA water, with more pronounced occurrence at longer LA times. The provenance of this component is assigned to those spherical particles generated in suspension and passing through the converging laser beam, being hence subject to secondary irradiation effects, e. g. fragmentation.
A femto-second pulsed laser ablation in liquid (PLAL) procedure for the generation of titanium oxide nanoparticles (NP) is reported with the purpose of understanding morphology and structure of the newly generated NPs. Ablation duration was varied for optimization of NP generation processes between 10 and 90 min. Surface morphology of NPs as well as their size and shape (distribution) were analysed by various complementary electron microscopy techniques, i.e. SEM, TSEM and TEM. The crystalline structure of titanium oxide particles was investigated by XRD(two instruments operated in different geometries) and HR-TEM. Concentration of generated titanium oxide NPs in liquid was analysed by ICP-MS. A mix of crystalline (mainly anatase), partly crystalline and amorphous spherical titanium oxide NPs can be reported having a mean size between 10 and 20 nm, which is rather independent of the laser ablation (LA) duration. A second component consisting of irregularly shaped, but crystalline titanium oxide nanostructures is co-generated in the LA water, with more pronounced occurrence at longer LA times. The provenance of this component is assigned to those spherical particles generated in suspension and passing through the converging laser beam, being hence subject to secondary irradiation effects, e. g. fragmentation.
Laser texturing is an emerging technology for generating surface functionalities on basis of optical, mechanical, or chemical properties. Taking benefit of laser sources with ultrashort (fs) pulse durations features outstanding precision of machining and negligible rims or burrs surrounding the laser-irradiation zone. Consequently, additional mechanical or chemical post-processing steps are usually not required for fs-laser surface texturing (fs-LST). This work aimed to provide a bridge between research in the field of tribology and laser materials processing. The paper reviews the current state-of-the-art in fs-LST, with a focus on the tribological performance (friction and wear) of specific self-organized surface structures (so-called ripples, grooves, and spikes) on steel and titanium alloys. On the titanium alloy, specific sickle-shaped hybrid micro-nanostructures were also observed and tribologically tested. Care is taken to identify accompanying effects affecting the materials hardness, superficial oxidation, nano- and microscale topographies, and the role of additives contained in lubricants, such as commercial engine oil.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Das Vorhaben ZENSUS beschäftigt sich mit der Erstellung eines Normenentwurfs bzw. einer normen-konformen Technischen Spezifikation für die Zentrifugen-basierte Prüfung der Klebfestigkeit von Stumpfklebungen. Das umfasst auch umfangreiche Validierungsversuche, um mögliche Unterschiede zwischen Kraft-gesteuerter (Zentrifuge) und Weg-gesteuerter (Zugprüfmaschine) bzw. ggf. dazu korrelierte Materialabhängigkeiten mit ihren Auswirkungen auf SOPs zu identifizieren. Die Zentri-fugen-basierte Mehr-Proben-Prüfung von bis zu 8 Klebverbunden wird im Weiteren mit CAT-Technologie („Centrifugal Adhesion Testing“) abgekürzt.
Im Fokus des Vorhabens steht das mit dem Innovationspreis Berlin-Brandenburg 2012 ausgezeichnete Mehr-Proben-Prüfverfahren zur Festigkeitsprüfung unter Verwendung einer analytischen Zentrifuge mit dem Ziel des Einsatzes in der Qualitätssicherung. Nachdem im MNPQ-Projekt QUO VADIS die grundsätzliche Anwendbarkeit der Zentrifugentechnologie auf Beanspruchungen auf Zug (Kleb-, Haft- und Verbundfestigkeit) nachgewiesen worden war, wurden im Vorhaben QUO VADIS PLUS folgende erweiterte Prüfszenarien und technische Weiterentwicklungen etabliert: 1. Beanspruchung auf Druck (Härte von Materialien, Kompressibilität von Schäumen, Kompaktierbarkeit von Pulvern), 2. Erweiterung der Beanspruchung auf Zug (Kombination von Normal- und Lateralkräften), 3. Erweiterung auf die Bewertung plasto-elastischenn Materialverhaltens, 4. Vermeidung von Schockwellen im Hochlastbereich
Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets in der Oberflächentechnik
(2019)
Vorgestellt wurde die Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets für sehr unterschiedliche physikalische Größen, die in der Oberflächentechnik von hoher Relevanz sind: Stufenhöhe h, Schichtdicke d, Eindringhärte HIT und Haftfestigkeit. Die Unterschiede betreffen die Art der Prüfmethodik (optisch zerstörungsfrei vs. mechanisch invasiv/zerstörend), die laterale Größe des Integrationsgebietes der Messung (lokal: nano bis sub-mikro vs. global: mikro bis makro) und die Art der Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets (physikalische Größen: direkt rückführbar; Werkstoffkenngröße: genormt; Systemkenngröße: genormt).
Im Rahmen von Industrie 4.0 werden ausgehend der geforderten Spezifikation des beschichteten Produkts (Mittelwert mit Vertrauensbereich oder Mindestwert) durchgehende Toleranzbänder zur Oberflächenmodifizierung/Beschichtung des Substrats, einhergehend mit Prozessfenstern, die diese Toleranzbänder garantieren, erforderlich, die zuverlässig erfasst werden müssen. Die Frage der anzuwendenden Mess- und Prüftechnik und die damit notwendige Betrachtung von Messunsicherheitsbudgets ist für die Digitalisierung von Konditionierungs-, Zustands-, Regel- und Steuergrößen unverzichtbar. Mit Blick auf die Einhaltung von Prozessfenstern und die dafür notwendige Prozessführung wird technologisches Kern-Know-how digitalisiert, das es unbedingt zu schützen gilt. Nur lokale Netze können diese Sicherheit garantieren, in globalen Netzen ist die Datensicherheit bestenfalls maximierbar
MISTRAL-Müller-Matrix-basierte Identifizierung von Inhomogenitäten und strukturellen Anomalien
(2020)
Mit abbildender Ellipsometrie (imaging ellipsometry: IE) können Nanometer-Beschichtungen/ Degradationen visualisiert und bezüglich Brechungsindex n, Extinktionskoeffizient k und Schichtdicke d charakterisiert werden. Materialseitig werden lokal Homogenität und Isotropie innerhalb eines/mehrerer Bildpunkte (field of analysis: FOA) und messtechnisch global die Ebenheit der Proben bezüglich aller Bildpunkte des Messfeldes vorausgesetzt. Für die Müller-Matrix-basierte abbildende Ellipsometrie (MM-IE), die den optischen Response anisotroper Materialien in jedem Bildpunkt über die bis zu 16 Müller-Matrix-Elemente erfasst, ist dies von besonderer Relevanz. Reale Substrate sind aber oft nicht eben, können lokal Noppen/Mulden (im FOA) aufweisen oder sind global konvex/ konkav im möglichen Messfeld (field of view: FOV) gekrümmt. Diese lokalen/globalen strukturellen Anomalien des Substrats werden schon für die IE messtechnisch/modellseitig oft nicht beherrscht und sind für die MM-IE in der Wirkung auf die MM-Elemente unbekannt. Diese Defizite sollen messtechnisch bzw. modellmäßig behoben und somit die Messung lokal/global gekrümmter Oberflächen ermöglicht werden (MM-CSIE, CS curved surface).