Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 8.6 Faseroptische Sensorik (2)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (1)
Eingeladener Vortrag
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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.
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.
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.
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 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.
Multi-functional coatings are a key requirement for surface engineering. General demands are adhesion and long-term stability under service conditions. The modification of surfaces by means of PVD-, ECD- or hybrid processes allows an add-on functionalization of surfaces by a huge diversity of materials with both lateral and vertical micro-/nano-designs. This fact is a prerequisite for micro- and sensor-systems in lab-on-chip and sensor-on-chip technology. Two layer-based sensor principles are presented, i.e. surface plasmon resonance enhanced spectroscopic ellipsometry (SPREE) for detection of hazardous gases and magneto-optical sensors on smart-coated fiber Bragg gratings (FBG) for structural health monitoring (SHM).
The interdependence of substrate features, coating properties, and layer design is discussed firstly for gas sensitivity and selectivity of SPREE-sensors and secondly for sensitivity and selectivity of magneto-strictive coatings to mechanical strain or external magnetic fields resulting in an optical displacement of the Bragg wavelength of FBG-sensors. Moreover, generic features such long-term stability, crucial process-related fabrication conditions, and effects of operational and environmental parameters are discussed with respect to the sensor performance. It has been shown that appropriate layer design and adapted selection of layer materials (SnOx/Au, Fe/Ni:SnOx/Au; Ni/NiFe-Cu-Cr) result in improved sensor parameters and may enable new sensor applications.
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.
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.
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.