Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
View into the depths of copolymer microstructure by a special approach of LC-MS data evaluation
(2019)
It is a well-known story that copolymers beside their molar mass distribution (MMD) can exhibit a functionality type distribution (FTD), a copolymer composition distribution (CCD), a monomer sequence distribution (MSD) and additionally different topologies within one sample. This is and will remain a challenge for analysts.
First a very short overview will be given concerning the common liquid separation techniques for polymers (SEC, LAC, LCCC, GELC) coupled to soft ionization mass spectrometric methods like MALDI and ESI-MS with focus on their limitations. For very broadly distributed samples or chemical very similar species the superposition of different separation mechanisms in chromatography is unavoidable or the separation efficiency cannot be optimized.
Different ionization probabilities and species of the same nominal mass with completely different structures are just two problems of mass spec of complex polymer mixtures.
Subsequently, different examples will be shown how these limitations in some cases could be outsmarted.
First example will be the separation of statistical EO-PO copolymers of different chemical compositions by end group functionality and the quantification of end group fractions over the whole CCD. Here an UP-LCCC / ESI-TOF-MS coupling is applied.
Further for different kinds of polymers it will be shown how it could be realized to obtain information on small isobaric/isomeric topological heterogeneities by coupling UP-SEC / ESI-TOF-MS.
All results are based on the data processing of reconstructed ion chromatograms of single mass traces of complex ESI-MS spectra.
Thermosetting materials are gaining increasing attention in many structural composite applications. However, the incorporation of inorganic nanoparticles (NPs) into polymer matrix is a promising approach to enhance their functional characteristics, and thus, to enable the development of thermosets advanced application. It has been shown that Boehmite Alumina (BA) used as nanofillers can improve different parameters of polymers. This NPs can be easily tailored enabling desirable interactions with a big range of polymers. However, the overall effect of nanofiller depends on many factors, therefore, making it hard to predict the resulted performance of nanocomposites. In the current contribution we would like to discuss the impact of Boehmite NPs on two different epoxy resin nanocomposite systems with the focus on the possible influence mechanisms of this nanofiller.
As the first system, UV curable Cycloaliphatic-Epoxy Oligosiloxane (CEOS) resin/Boehmite nanocomposites were investigated by FTIR, TGA, DSC and T-SEM. It was observed that incorporation of BA leads to the reinforcement of glass transition (Tg) and overall thermal stability indicating the attractive interactions between BA and CEOS network. In addition, an increase in epoxy conversion of CEOS was concluded for nanocomposites assuming that particles are involved in UV polymerisation processes.
The second epoxy/Boehmite nanocomposite is based on the bisphenol-A-diglycidyl ether (DGEBA) cured with methyl tetrahydrophtalic acid anhydride (MTHPA). Thermomechanical as well as nanomechanical properties of this material were investigated by DMTA and IR spectroscopy and the advanced Intermodulation AFM, respectively. In contrast to the first system, it was found that BA leads to a decrease of Tg and crosslink density of the polymer while the young’s modulus of the composite and local stiffness of polymer matrix increase significantly.
As a result, the versatile role of Boehmite was detected depending on the investigated systems. Based on the obtained results, the parameters indicating property-efficient epoxy/Boehmite system are suggested.
The coherent exchange of optical near fields between two neighbouring dipoles plays an essential role in the optical properties, quantum dynamics and thus the function of many naturally occurring and artificial nanosystems. These interactions are challenging to quantify experimentally. They extend over only a few nanometres and depend sensitively on the detuning, dephasing and relative orientation (that is, the vectorial properties) of the coupled dipoles. Here, we introduce plasmonic nanofocusing spectroscopy to record coherent light scattering spectra with 5 nm spatial resolution from the apex of a conical gold nanotaper.
The apex is excited solely by evanescent fields and coupled to plasmon resonances in a single gold nanorod. We resolve resonance energy shifts and line broadenings as a function of dipole distance and relative orientation. We demonstrate how These phenomena arise from mode couplings between different vectorial components of the interacting optical near fields, specifically from the coupling of the nanorod to both transverse and longitudinal polarizabilities of the taper apex.
The transformation of a base-catalyzed, mechano-assisted Knoevenagel condensation of mono-fluorinated benzaldehyde derivatives (p-, m-, o-benzaldehyde) with malonodinitrile was investigated in situ and in real time. Upon milling, the para-substituted product was found to crystallize initially into two different polymorphic forms, depending on the quantity of catalyst used. For low catalyst concentrations, a mechanically metastable phase (monoclinic) was initially formed, converting to the mechanically stable phase (triclinic) upon further grinding. Instead, higher catalyst concentrations crystallize directly as the triclinic product. Inclusion of catalyst in the final product, as evidenced by mass spectrometric analysis, suggests this complex polymorphic pathway may be due to seeding effects. Multivariate analysis for the in situ Raman spectra supports this complex formation pathway, and offers a new approach to monitoring multi-phase reactions during ball milling.
We here explore how ball-mill-grinding frequency affects the kinetics of a disulfide exchange reaction. Our kinetic data show that the reaction progress is similar at all the frequencies studied (15–30 Hz), including a significant induction time before the nucleation and growth process starts. This indicates that to start the reaction an initial energy accumulation is necessary. Other than mixing, the energy supplied by the mechanical treatment has two effects: (i) reducing the crystal size and (ii) creating defects in the structure. The crystal-breaking process is likely to be dominant at first becoming less important later in the process when the energy supplied is stored at the molecular level as local crystal defects. This accumulation is taken here to be the rate-determining step. We suggest that the local defects accumulate preferentially at or near the crystal surface. Since the total area increases exponentially when the crystal size is reduced by the crystal-breaking process, this can further explain the exponential dependence of the onset time on the milling frequency.
Im Vortrag wird die Problematik Mikroplastik eingeführt und ein Probenset aus dem Mittelmeer mit ersten Ergebnissen besprochen. Die Alterung von Polymeren im Umweltkontext sowie Möglichkeiten der Analyse von Polymeralterungsfortschritten werden diskutiert. Die thermoanalytische Methode mit Zersetzungsgasanalytik (TED-GC-MS) wird eingeführt und deren Einsatzmöglichkeiten in der Thematik umrissen.