Wissenschaftliche Artikel der BAM
Transparent conductive oxides such as indium tin oxide (ITO) are standards for thin film electrodes, providing a synergy of high optical transparency and electrical conductivity. In an electrolytic environment, the determination of an inert electrochemical potential window is crucial to maintain a stable material performance during device operation. We introduce operando ellipsometry, combining cyclic voltammetry (CV) with spectroscopic ellipsometry, as a versatile tool to monitor the evolution of both complete optical (i.e., complex refractive index) and electrical properties under wet electrochemical operational conditions. In particular, we trace the degradation of ITO electrodes caused by electrochemical reduction in a pH-neutral, water-based electrolyte environment during electrochemical cycling. With the onset of hydrogen evolution at negative bias voltages, indium and tin are irreversibly reduced to the metallic state, causing an advancing darkening, i.e., a gradual loss of transparency, with every CV cycle, while the conductivity is mostly conserved over multiple CV cycles. Post-operando analysis reveals the reductive (loss of oxygen) formation of metallic nanodroplets on the surface. The reductive disruption of the ITO electrode happens at the solid–liquid interface and proceeds gradually from the surface to the bottom of the layer, which is evidenced by cross-sectional transmission electron microscopy imaging and complemented by energy-dispersive X-ray spectroscopy mapping. As long as a continuous part of the ITO layer remains at the bottom, the conductivity is largely retained, allowing repeated CV cycling. We consider operando ellipsometry a sensitive and nondestructive tool to monitor early stage material and property changes, either by tracing failure points, controlling intentional processes, or for sensing purposes, making it suitable for various research fields involving solid–liquid interfaces and electrochemical activity.
Titanium and its alloys are known to allow the straightforward laser-based manufacturing of ordered surface nanostructures, so-called high spatial frequency laser-induced periodic surface structures (HSFL). These structures exhibit sub-100 nm spatial periods – far below the optical diffraction limit. The resulting surface functionalities are usually enabled by both, topographic and chemical alterations of the nanostructured surfaces. For exploring these effects, multi-method characterizations were performed here for HSFL processed on Ti–6Al–4V alloy upon irradiation with near-infrared ps-laser pulses (1030 nm, ≈1 ps pulse duration, 1–400 kHz) under different laser scan processing conditions, i.e., by systematically varying the pulse repetition frequency and the number of laser irradiation passes. The sample characterization involved morphological and topographical investigations by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), tactile stylus profilometry, as well as near-surface chemical analyses hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) and depth-profiling time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). This provides a quantification of the laser ablation depth, the geometrical HSFL characteristics and enables new insights into the depth extent and the nature of the non-ablative laser-induced near-surface oxidation accompanying these nanostructures. This allows to answer the questions how the processing of HSFL can be industrially scaled up, and whether the latter is limited by heat-accumulation effects.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. Während die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen ein sehr niedriges Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Critical defects, also known as device killers, in wide bandgap semiconductors significantly affect the performance of power electronic devices. We used the methods imaging ellipsometry (IE) and white light interference microscopy (WLIM) in a hybrid optical metrology study for fast and non-destructive detection, classification, and characterisation of defects in 4H–SiC homoepitaxial layers on 4H–SiC substrates. Ellipsometry measurement results are confirmed by WLIM. They can be successfully applied for wafer characterisation already during production of SiC epilayers and for subsequent industrial quality control.
Hybrid optical measurement technique for detection of defects in epitaxially grown 4H-SiC layers
(2022)
Recent developments in power electronics require the use of new wide bandgap compound semiconductor. We demonstrate the use of the ellipsometry and white light interference microscopy to detect defects in epitaxially grown SiC layers on SiC substrates. Such hybrid optical metrology methods can be used to better understand the mechanism of the development of the defects as well as their effects on the material´s optoelectronic properties.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Deep understanding of the effects associated with fabrication parameters and their influence on the resulting structures shape is essential for the further development of direct laser writing (DLW). In particular, it is critical for development of reference materials, where structure parameters are precisely fabricated and should be reproduced with use of DLW technology. In this study we investigated the effect of various fabrication and preparation parameters on the structural precision of interest for reference materials. A well-studied photo-curable system, SZ2080 negative photo-resist with 1 wt.% Michler's ketone (Bis) photo-initiator, was investigated in this work. The correlation between applied laser power, laser velocity, fabrication direction on the deviations in the structure shape were observed by means of white light interferometry microscopy. Moreover, influence of slicing and hatching distances as well as prebake time were studied as function of sample shape. Deviations in the structure form between the theoretically expected and the one detected after DLW fabrication were observed in the range up to 15%. The observed shape discrepancies show the essential importance of fine-tuning the fabrication parameter for reference structure production.
Novel air-coupled ultrasonic transducer combining the thermoacoustic with the piezoelectric effect
(2016)
In recent years, there has been an increasing industrial demand for one-sided inspection of various structures by means of air-coupled ultrasonic technique. Lightweight structures based on carbon-fibre-reinforced polymers may have very complex shapes, making air-coupled transmission difficult or even impossible. The inspection of concrete structures is another example where one-sided inspection is required.
To address these challenges a new type of transducer for air-coupled pulse-echo inspection was developed, which unites two principles: thermoacoustic emission and piezoelectric reception. The thermoacoustic emitter is a titanium electrode with a thickness of several tens of nanometer. This electrode was deposited onto charged cellular polypropylene, which serves as a piezoelectric receiver. The thermoacoustic transmission is based on a transformation of the thermal energy of an electrically heated electrode into the acoustic energy of an ultrasonic wave. Thermoacoustic emitters provide resonance-free behaviour and thus extremely broadband pulses. Charged cellular polypropylene is piezoelectric due to the polarization of its cells and it is well matched to air, with a Young modulus in the order of magnitude of MPa. In this contribution we present some pulse-echo measurements with the first prototypes of the combined thermoacoustic-piezoelectric transducer.