Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Abstract. In power electronics, compound semiconductors with large bandgaps, like silicon carbide (SiC), are increasingly being used as material instead of silicon. They have a lot of advantages over silicon but are also intolerant of nanoscale material defects, so that a defect inspection with high accuracy is needed. The different defect types on SiC samples are measured with various measurement methods, including optical and tactile methods. The defect types investigated include carrots, particles, polytype inclusions and threading dislocations, and they are analysed with imaging ellipsometry, coherent Fourier scatterometry (CFS), white light interference microscopy (WLIM) and atomic force microscopy (AFM). These different measurement methods are used to investigate which method is most sensitive for which type of defect to be able to use the measurement methods more effectively. It is important to be able to identify the defects to classify them as critical or non-critical for the functionality of the end product. Once these investigations have been completed, the measurement systems can be optimally distributed to the relevant defects in further work to realize a hybrid analysis of the defects. In addition to the identification and classification of defects, such a future hybrid analysis could also include characterizations, e.g. further evaluation of ellipsometric data by using numerical simulations.
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.
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.
Biofilms cause complications and high costs in both industry and medicine. Of particular interest are bacterial infections of prosthetic materials, which usually cannot be eliminated due to the high antibiotic resistance known for bacteria forming biofilms. The search for new materials and coatings with lower colonization potential and antibacterial activity is of great importance to reduce biofilm formation. However, there is no standardized procedure to examine the colonization characteristics of bacteria in the Biofilm state in situ. Here, we describe an automated epifluorescence microscopy system for the semi-quantitative analysis of three-dimensional (3D) biofilms on various surfaces. To analyze adherent bacteria, three materials (glass, steel and titanium) were incubated with bacteria in a flow chamber system. After fluorescence staining of the bacteria, automated image capturing, quantification of the bacteria, measurement of the colonized area and determination of the 3D biofilm height were carried out by using novel software.
Furthermore, the materials were examined for their surface topography using white light scanning interferometry. Titanium compared to glass showed a significantly higher number of adherent bacteria.
We argue that this was due to the higher microroughness of titanium. The colonized area was in accordance with the number of adherent bacteria and was also significantly larger on titanium coupons compared to glass. Maximum 3D biofilm height on glass coupons was significantly lower compared to the ones on steel and titanium. This novel method enables the standardized, automated investigation of the colonization with bacteria on different materials. This approach can considerably support the characterization of new material surfaces and their innovative coatings by analyzing the amount of attached Bacteria and thickness of biofilms in situ and eliminates the need of conventional cultivation.
3D coherence scanning interferometry (CSI) is anoptical, non-contact and rapide measurement technique using a defined bandwidth of white light at normal incidence. White light interference microscopy (WLIM) providest here-dimensional surface topometry data up to a resolution of 0.4 µm lateral and 0.1 nm vertical. Three operating modi, surface, films and advanced films, enable measurements of step heights, roughness, wear volume, cone angle, surface pattern and layer thickness. Traceability to SI system is ensured by certified standards (PTB/NIST) within a DAkkS DIN EN ISO/IEC 17025:2018 accredited lab.
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.
Reinigung wird in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie aufgrund des stetig steigenden Kosten- und Zeitdrucks sowie der hohen Verbrauchererwartungen hinsichtlich Produktsicherheit und -haltbarkeit ein immer zentraleres Thema. Eine verbesserte Reinigbarkeit bedeutet für die produzierende Industrie eine Steigerung der Effizienz der Produktionsanlage. Besonders in der heutigen medienintensiven Zeit kommt ein "Lebensmittelskandal" durch ein unsicheres Produkt einem finanziellen Desaster und immensem Imageverlust gleich. Aus diesem Grund ist die Reinigbarkeit der produktberührenden Oberflächen stets ein wichtiges Kriterium für die Werkstoffauswahl.
Basierend auf den Theorien zu Schmutzhaftung und -entfernung wurde im Rahmen dieser Arbeit überprüft, ob und wie die theoretisch relevanten Parameter auch in den Experimenten den Reinigungserfolg beeinflussen. Der Schwerpunkt wurde auf die Einflussgrößen des Werkstoffes gelegt, um herauszufinden, wie stark eine Oberfläche selbst zu ihrer Reinigbarkeit beitragen kann (self-cleaning).
In den durchgeführten Versuchen hat sich gezeigt, dass die Oberflächenrauheit lediglich bei der Reinigung von kohäsiven Schmutzfilmen eine entscheidende Rolle gespielt hat. Hingegen ist ihr Einfluss auf das Reinigungsergebnis von sich auflösenden Schmutzfilmen und Partikeln nur begrenzt bis gar nicht zur Geltung gekommen. Das Oberflächenmaterial hatte keinen starken, aber dennoch signifikanten Einfluss auf die Reinigbarkeit der untersuchten Oberflächen. Dass die Reinigbarkeit einer Oberfläche keine Materialkonstante sein kann, wurde unter Verwendung spezieller Oberflächen mit definiert geätzten Rauheitsstrukturen nachgewiesen. Der Reinigungserfolg hängt immer auch von der Verunreinigungsart ab, was sich auch in vergleichbaren Versuchen der Einzelpartikelablösung mittels AFM in dem Einfluss der Elastizität bzw. Plastizität der Partikeln geäußert hat.
Praxistaugliche Empfehlungen gehören mit zu den wichtigsten Zielen dieser Arbeit gewesen. Mit Fokus auf die Oberflächenparameter und auf Basis der durchgeführten Untersuchungen wurde zur Optimierung der Reinigung produktberührender Oberflächen für bekannte Kontaminationen eine Checkliste als Orientierungshilfe erarbeitet. Ist die Verunreinigungsart dennoch unbekannt, so sollte der "Grenzwert" von Ra = 1 µm unterschritten werden, um bei Vorhandensein filmartiger Verschmutzungen keine negativen Auswirkungen auf die Reinigbarkeit zu haben. Die Notwendigkeit nach hochpolierten Oberflächen (Ra < 0,3 µm) aus Reinigbarkeitsgründen kann aufgrund der Untersuchungen nicht nachvollzogen werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.