6.7 Materialsynthese und Design
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Im Vorhaben SNELLIUS wurden in enger Zusammenarbeit der BAM mit den Firmen Accurion und SENTECH Instruments aufbauend auf der Norm DIN 50989-1 „Ellipsometrie - Teil 1: Grundlagen; Ellipsometry – Part 1: Principles“ insgesamt fünf Normenentwürfe erarbeitet, die fünf Modell-basierten Anwendungsfällen der Ellipsometrie entsprechen. Unter Berücksichtigung des neuartigen Modell-basierten Normungskonzepts wurde in den Normenentwürfen erstmals eine GUM- und DIN EN ISO/IEC 17025:2018 konforme Bestimmung bzw. Abschätzung der Messunsicherheit umgesetzt. Dies erforderte neben der textlichen Erstellung auch umfangreiche experimentelle Arbeiten bei den Firmen, Vergleichsversuche und komplementäre Modell- und Datenevaluierungen, da sowohl die verwendete ellipsometrische Hardware (unterschiedliche ellipsometrische Funktionsprinzipien) als auch die ellipsometrische Software (Modell-Randbedingungen, Fitalgorithmus) firmenspezifisch zum Teil sehr unterschiedlich sind. Hierbei mussten in einem Konsensprozess Lösungen gefunden werden, die die beiden deutschen Ellipsometer-Anbieter Accurion (Imaging-Ellipsometrie) und SENTECH Instruments (Mapping Ellipsometrie) gleichermaßen akzeptieren konnten und die zudem einen Transfer auf die Internationale Ebene (ISO Norm) ermöglichen, also vom Grundsatz her auch auf weitere Ellipsometerhersteller wie (J. A. Woollam Co., USA; SEMILAB, Ungarn; HORIBA, Japan) mit wieder anderen ellipsometrischen Funktionsprinzipien, Hard- und Softwarelösungen anwendbar sind. Die weitgehende Unabhängigkeit von ellipsometrischen Funktionsprinzipien, Hard- und Softwarelösungen wurde dadurch erreicht, dass normativ festgelegt wurde, dass die ellipsometrischen Größen PSI und DELTA im Sinne von DIN ENISO/IEC 17025 als Rohdaten fungieren.
The lack of on-line validation procedures for structure-embedded fiber-optical strain sensors, in particular fiber-Bragg-gratings (FBG), resulted in limited applications in structural health monitoring (SHM). Degradation under service conditions and ageing as a result of climatic influences or delamination under load were unsolved Validation issues. This could be overcome by means of an auto-diagnosis procedure based on FBG-sensors coated by electrochemical deposition (ECD) with a magnetostrictive NiFe-coating on top of an adhesive Cu/Cr adhesive layer deposited by physical vapour deposition (PVD) around the FBG strain sensor. This allows at any time under Service a validation of sensor functionality, stability, and reliability. For this purpose, a magnetic strain-proportional reference field is introduced. The optical read-out is realized by the measurement of the Bragg-wavelength shift.
The ratio of resulting strain and exciting magnetic reference field should be constant given that the sensor is in proper function.
In principle, the magnetostrictive coating around the FBG should also work as on-line magnetic field sensor and other applications in material science. One of these applications is the in-situ monitoring of ECD processes as the deposition of the ECD NiFe-layer on the FBG revealed. Challenges are the monitoring of temperature, deposition
stages/thickness, and resulting mechanical stress under given plating conditions. Monitoring problems can be solved by applying a pre-coated FBG to the electrolytic process as the shift of the Bragg wavelength is affected by both the temperature of the electrolyte near the substrate and the stress formation in the growing layer. The experimental FBG set-up and the quantitative determination of temperature- and stress-related strain are described for a nickeliron
electrolyte. The in-situ measurement of Bragg wavelength shifts of a pre-coated FBG during electrochemical deposition allows a detailed analysis of stress states due to changes in the growth morphology of the layer. The separation of mechanical and thermal contributions to this shift provides information on the individual Deposition processes in terms of a process fingerprint.
Proposal for revision of en 15870 „Adhesives determination of tensile strength of butt joints”
(2021)
The paper addresses the PROPOSAL FOR REVISION OF EN 15870
„ADHESIVES -DETERMINATION OF TENSILE STRENGTH OF BUTT JOINTS” “ and the follow points are discussed in more detail: Adhesives-Determination of tensile strength of butt joints, Introduction of Centrifugal Adhesion Testing, Comparison of Testing Methods.
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.
Mit der Zentrifugentechnologie ist seit einigen Jahren ein neuartiges Mehr-Proben-Prüf-verfahren auf dem Markt etabliert, welches die klassische Zugprüfung in den Trommelrotor einer Tischzentrifuge überträgt. In der Beanspruchung auf Zug ist die Prüfung der Verbundfestigkeit mittels CAT-Technologie (centrifugal adhesion testing) an der BAM seit 2017 nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert, wobei die Verbundfestigkeit von Klebungen direkt bestimmt wird und in Abhängigkeit von den Versagensformen Rückschlüsse auf die Klebfestigkeit von Klebstoffen/Klebebändern oder die Haftfestigkeit von Beschichtungen gezogen werden können.
The application of PVD-coatings ranges from mechanical engineering, i.e. thicker tribological coatings, to precision optics, i.e. thinner optical coatings. For physical vapor deposition (PVD) technologies such as evaporation, sputtering, ion beam assisted/driven deposition, vacuum is a prerequisite for two reasons: at first process-related ones (evaporation source, plasma discharge, and mean free path) and at second coating-related ones (pure, perfect, and dense films). Usually, the goal is a homogenous coating of defined stoichiometry and micro-structure without any imperfection.
However, the implementation of micro- or nano-particles may occur accidentally or delibe-rately. Independent of the particle origin, there are two fundamental rules regarding coating functionality: at first, the larger the particle diameter to coating thickness ratio the more affected the functionality of the coating, and at second, the larger the material contrast in terms of the functional feature of interest the more affected the coating performance. Hence, embedded particles have to be avoided for the majority of thin films by all means. The unintended implementation of particles usually results in a malfunction of the coating from the beginning or is at least considered as a weak point of the coating creating a time-dependent defect under service conditions. The intended implementation of particles on surfaces and in coatings may create add-on features, topographic ones and functional ones, however, the facts mentioned hold true.
Examples of particle-initiated coating defects are demonstrated in dependence on the origin and the field of application. Strategies for deliberate attachment/embedding of particles on surfaces/in coatings are discussed regarding process compatibility and coating integrity. For industrial applications, both the validation of process compatibility of particle injection and the plasma resistance of particles under vacuum and plasma conditions have to be confirmed. Further points of interest are the homogeneity of particle distribution and the avoidance of particle agglomeration which is still a crucial point for dry dispersed particles. So far, technical applications are limited to PVD hybrid coatings, plasma dispersion coatings are still a challenge except for applications where homogeneity is not required as in case of product authentication.
Sufficient adhesion/tensile strength are basic requirements for any coating/composite material. For coatings, adhesive strength in N/mm2 is of Major interest for various applications such as decorative and water-repellent coatings on wood (paints and varnishes), optical coatings on glass and polymers (reflectors and filters), electrical coatings on semiconductors, glass and polymers (conducting and bondable layers), mechanical coatings on metals and polymers (wear-reduction, scratch-resistance) and adhesion-promoting layers. For composite materials, tensile strength in N/mm2 is also a key quantity for carbon fiber reinforced composites (CFC), laminates and adhesive-bonded joints. Centrifugal adhesion testing (CAT) transfers the single-sample tensile test from a tensile or universal testing machine into an analytical centrifuge as multiple-sample test of up to eight test pieces. The one-sided sample support instead of a two-sided sample clamping and the absence of mounting- and testing-correlated shear forces provides fast and reliable results both for adhesive strength and bonding strength by means of bonded test stamps. For bonding strength, the evaluation of failure pattern from microscopic inspection is required in order to determine the failure pattern according to ISO 10365 such as adhesive failure (AF), delamination failure (DF) and cohesive failure (CF). Hence, one test run by CAT-technology provides either statistics or ranking of up to eight samples at once. For adhesive strength of coatings, a variety of examples is discussed such as ALD-Al203 layers as adhesion promoters, evaporated Ag-layers on N-BK7 glass, sputtered Cr- and Al-layers on Borofloat 33 glass, evaporated Au-films on N-BK7 glass and sputtered SiO2 -layers on CR39 Polymer. Provided adhesive or bonding strength are high enough, the substrate or the joining part may also fail.
Der Vortrag widmet sich der „Zentrifugentechnologie zur statistischen Untersuchung von Stumpfklebungen“ und beschreibt drei wesentlich verschiedene Realsysteme (Fügefläche 1/Klebstoff/ Fügefläche 2), um die Statistik ZPM (wiederholte Ein-Proben-Prüfung) vs. CAT (Mehr-Proben-Prüfung) zu vergleichen. Dazu wurden drei unterschiedliche Klebstoff-klassen mit typischen Fügeteilmaterialkombinationen ausgewählt und in einem Vorversuch mit jeweils 3 unterschiedlichen Prüfgeschwindigkeiten sowohl im Weg-geregelten als auch Kraft-geregelten Mode beansprucht. Die Ergebnisse ZPM vs. CAT und Kraft- vs. Weg-Regelung des Vorversuches zeigten keinerlei Unterschiede auf. Im Ergebnis wurde ein Ringversuch im Kraft-geregelten Mode (6xZPM vs. 8xCAT) für ein Referenzsystem durchgeführt, der nachwies, dass die CAT-Technologie statistisch relevante Prüfergebnisse zur Klebfestigkeit bereitstellt. Es zeigte sich, dass für zwei ZPM-Teilnehmer im Vertrauensbereich 99% statistisch signifikant etwas kleinere Werte der Klebfestigkeit bestimmt wurden, was auf geringfügige Abweichungen von der axialen Ausrichtung des eingespannten Prüflings bei der Ein-Proben-ZPM-Zugprüfung zurückgeführt wird.
Up until several years ago, tensile and compressive tests have been exclusively carried out as single-sample tests within a tensile, hardness or universal testing machine. The availability of centrifuge technology changed this situation in 2013 in several ways because centrifugal force is used as testing force within a rotational reference frame.
Firstly, multiple-sample strength testing became feasible for both tensile load condi-tions, e.g. determination of composite, bonding or adhesive strength, and compressive load conditions, e.g. hardness, compressibility and compactibility. Secondly, there is no need for a two-sided sample clamping and double-cardanic suspensions as samples are simply inserted using a one-sided sample support. Thirdly, shear forces can be avoided by means of guiding sleeves which steer test stamps acting as mass bodies for either tensile or compressive testing. Fourthly, up to eight samples can be tested under identical conditions within a very short period of time, typically within 15 minutes including sample loading and unloading. Hence, either a reliable statistics (of identical samples) or a ranking (of different samples) can be derived from one test run.
The bench-top test system is described in detail and demonstrated that centrifugal force acts as testing force in an appropriate way because Euler and Coriolis force do not affect the testing results. Examples for both tensile strength testing, i.e. bonding strength of adhesives-bonded joints and adhesive strength of coatings, and compres-sive strength testing, i.e. Vickers-, Brinell- and ball indentation hardness and deter-mination of spring constants, are presented, discussed and compared with conven-tional tests within tensile, hardness or universal testing machines.
At present, a maximum testing force of 6.5 kN can be realized which results at test stamp diameters of 5 mm, 7 mm, and 10 mm in tensile or compressive stress values of 80 MPa, 160 MPa, and 320 MPa. For tensile strength, this is already beyond bonding strength of cold- and warm-curing adhesives. Moreover, centrifuge technology is compliant to standards such as EN 15870, EN ISO 4624, EN ISO 6506/6507 and VDI/VDE 2616. Programmable test cycles allow both short-term stress and log-term fatigue tests. Based on a variety of examples of surface and bonding technology, applications in both fields R&D and QC are presented. Meanwhile, centrifuge technology is also accredited according to DIN EN ISO/IEC 17025.
Bonding strength is crucial on polymers of low surface energy, for clean surfaces limited to 0.5, 1, and 2 MPa for PTFE, PP, and PE. Plasma treatment may improve bonding strength by a factor of 2 (PTFE) or 5 (PP and PE). The efficiency of treatment is usually 10% as both low pressure and atmospheric pressure processes show low topographic conformity.
Besides, lifetime of activation/modification is rather short. Hence, bonding has to be carried out immediately after plasma treatment.
The concept of plasma-assisted ALD (atomic layer deposition) interlayers was introduced in the project HARFE of SENTECH (modification/deposition/in-situ monitoring) and BAM (bonding, characterization, testing). ALD deposition has a high surface conformity and for dielectric films of Al2O3 also a good long-term stability given that the films are dense enough.
Based on TMA and O2/O3 precursors, ALD layer stacks from 60 to 375 monolayers were prepared under different conditions. For a transfer time of 24 hours from deposition to measurement, bonding strength could be increased up to 5 MPa (PTFE) respectively 10 MPa (PP, PE). The huge potential of ALD layers as adhesive interlayers was demonstrated for Al2O3 on stainless steel with bonding strength beyond 15 MPa, i.e. interface
strength within the ALD stack is also in this range.
This is a prerequisite for subsequent PVD/CVD-deposition in hybrid systems. By means of the SI ALD LL system of SENTECH thermal and plasma-supported ALD processes can be alternatively realized.
Ellipsometric in-situ monitoring provides monolayer sensitivity and reveals that the efficient bonding of the lower ALD layers on the polymer has to be further improved. Testing of bonding strength was realized by CAT (centrifugal adhesion testing) technology. It was shown that ALD modification correlates with the increase of surface energy and bonding strength.
The paper addresses the “State-of-the-Art in Multiple-Sample Evaluation of Adhesive and Bonding Strength” and the following points are discussed in more detail:
1. Motivation (coatings, varnishes, tapes, laminates, CFRP, adhesive-bonded joints)
2. Conventional single-sample testing (evaluation of adhesive and bonding strength; failure pattern)
3. Multiple-sample handling (MSH), bonding (MSB), and testing: centrifugal adhesion testing (CAT) (multiple-sample approach, tensile test within a centrifuge)
4. Application examples of CAT-Technology™ (laminates, optical coatings, CFRP joints)
Finally, a summary is given regarding status quo and benefits of CAT-technology under tensile stress conditions whereas examples of testing in a centrifuge under compressive stress conditions are mentioned in the outlook.
Der Vortrag widmet sich der „CAT-TECHNOLOGIE ZUR BESTIMMUNG DER HAFTFESTIGKEIT DÜNNER SCHICHTEN“ und beschreibt die Punkte „Motivation –CAT-Technologie“ (CAT: Centrifugal Adhesion Testing) und die „Haftfestigkeit von Schichten“, (Ag-Schichten auf N-BK7 Glas, Cr- und Al-Schichten auf Borofloat 33 Glas, Au-Schichten auf N-BK7 Glas und SiO2-Schichten auf CR39 Polymer) im Einzelnen.
Der Vortrag widmet sich der „ CAT-TECHNOLOGIE ZUR BESTIMMUNG DER KLEBFESTIGKEIT“ und beschreibt die Punkte „Motivation –CAT-Technologie (Centrifugal Adhesion Testing), Klebfestigkeit ( Materialscreening verschiedener Werkstoffklassen, Klebstoffscreening fürV2A gegenV2A als Referenz, Klebstoffscreening für Niedrigenergie-Polymere und Oberfächenmodifizierung von Niedrigenergie-Polymeren) und Verbundfestigkeit (“Stirnabzug vs. Zug-Scher-Prüfung an CFK) im Einzelnen.
Der Vortrag gibt den aktuellen Stand der Normung im Bereich der Oberflächen-technik insbesondere der Oberflächenanalytik und der Oberflächenmess- und -prüftechnik wider. Vorgestellt wird der Status technischer Berichte, Normenentwürfe und Normen u.a. zur Charakterisierung von funktionellen Glasoberflächen für bioanalytische Anwendungen, zur Messung der Schichtdicke von Nanomaterialien mittels Ellipsometrie, zur Kalibrierung von Interferometern und Interferenzmikroskopen für die Formmessung, zur Rockwelleindringprüfung zur Bewertung der Schicht-haftung, zu den Grundlagen der Ellipsometrie, zur Messung der Schichtdicke mittels Wirbelstromverfahren, zur Schichtpotentialmessung von Mehrfach-Nickelschichten, zu Filtern und Augenschutzgeräten gegen Laserstrahlung sowie zur Bestimmung der Schichthaftung mittels Zugversuch.
The paper addresses “WHITE LIGHT INTERFERENCE MICROSCOPY, ELLIPSOMETRY, AND INSTRUMENTED INDENTATION TESTING AS REFERENCE PROCEDURES“ and is subdivided in the following sections: 1. Measurement vs. testing vs. reference procedures, 2. White light interference microscopy (WLIM) for determination of step height h, 3. Spectroscopic ellipsometry (SE) for determination of layer thickness d and 4. Instrumented indentation testing (IIT) for determination of indentation hardness HIT. The following points are discussed in more detail: methodology of measurement and testing, uncertainty budgets for direct (WLIM), model-based (SE) and formula-based (IIT) reference procedures by means of specific examples. It is shown that standardization efforts are connected to reference procedures.
Der Vortrag gibt den aktuellen Stand der Normung im Bereich der Oberflächentechnik insbesondere der Oberflächenanalytik und der Oberflächenmess- und -prüftechnik wider. Vorgestellt wird der Status technischer Berichte, Normenentwürfe und Normen u.a. zur Bewertung von Auflösung und Schärfe mit strahlbasierten Methoden im Nanometer- und Mikrometerbereich, zur Messung von Schichtdicken und Nanopartikeln in kritischen Dimensionen einschließlich Größen- und Formverteilungen mittels REM, zur Messung der Schichtdicke von Nanomaterialien und zur Klassifizierung von Kohlenstoffschichten mittels Ellipsometrie, zur Standardisierung der Ellipsometrie, zur Kalibrierung von Konfokalmikros-kopen für die Formmessung, zur linear elastisch dynamischen instrumentierten Eindringprüfung, zur Messung der flächenbezogenen Masse mittels AAS und ICP, zur Schichtpotentialmessung von Mehrfach-Nickelschichten, zur Schichtdicken und Flächen-widerstandsbestimmung sowie zur Bestimmung der Schichthaftung mittels Zentrifugentechnologie.
The talk addresses the STANDARDIZATION OF ELLIPSOMETRY and the following points are discussed in more detail: historical background of ellipsometry, history of International Conferences on Ellipsometry, Workshops Ellipsometry in Germany and Europe, information on German/European Working Group Ellipsometry, technical/industrial importance of ellipsometry, applications on non-ideal material systems and standardization activities on ellipsometry.
Transparent conductive oxide (TCO) films are a vital part of a large part of modern technology. The production of TCO materials has sparked much development in plasma coating technology. Quality control measurements of these layers are therefore important in many fields of optics and electronics such as high efficiency thin film photovoltaics. In this presentation, we report on optical measurements of ZnSnOx layers generated by DC/RF magnetron plasma co-sputtering. By changing the respective power on two different targets, the overall power, the gas composition and post-treatment, the properties of this type of layers can be varied in a number of parameters. The optical, electrical, and chemical properties of TCO layers are the technically most important properties together with the layer thickness. The dielectric function of layers is accessible by means of spectroscopic ellipsometry, which also yields the very important value for the layer thickness at the same time. It would be a significant step forward in quality control to use this non-destructive method also as a fast test for electrical properties. Therefore, we report on the optical properties connected to the production parameters, and also on our preliminary results connecting the optical dielectric function (in the visible and near infrared) to the electrical conductivity of the layers. We discuss the effect of deposition parameters on the optical properties of the layers and present an approach for correlating optical and electrical properties. Further, we discuss the question of accuracy of optical properties gained from model-fit-based optical methods and the use of different parameterised models for the dielectric function to achieve this.