Innerhalb dieser Arbeit sollte das Osteointegrationsvermögen von vier neuartigen calciumhaltigen Keramikbeschichtungen für knochenersetzende Implantate (FA-CZP, Ca4Ti3O10, GB14, 602020)auf Ti6Al4V Grundkörpern unter besonderer Berücksichtigung ihrer Resorbierbarkeit in vivo untersucht und bewertet werden. Als Vergleich dienten eine herkömmliche Hydroxylapatitbeschichtung und unbeschichtete, aufgeraute Ti6Al4V- Implantate. Die Probekörper wurden in die distale Femurmetaphyse bei Kaninchen implantiert. Nach Versuchszeiten von 2, 4, 6, 12 und 24 Wochen wurden die implantattragenden Knochenproben histologisch- morphologisch und quantitativ histomorphometrisch untersucht. FA-CZP (langzeitstabil) verursachte eine Mineralisierungsstörung im Interface und iste deshalb als Knochersatzmaterial nicht zu empfehlen. Ca4Ti3O10 als langzeitstabile dünne Beschichtung ermöglichte im Vergleich zu unbeschichteten Ti6Al4V- Implantaten initial eine Stimulation der Knochenneubildung und stellt -frühzeitiger als diese- direkten Knochenkontakt her. Die beiden schnell resorbierbaren Keramiken, GB14 und 602020, beweisen, dass mit einer Erhöhung der Löslichkeit eine Steigerung der osteogenen Reaktivität im orthotopen Lager verbunden ist. 602020 war stark abbaubar. Histomorphologisch war das korreliert mit einer vermehrten Osteoblasten- und Osteoidproliferation im Interface, was sekundär zu einer verzögerten Knochenreifung führte. GB14 als moderat resorbierbares Material zeigte insgesamt die besten Resultate. GB14 förderte im Vergleich zu HA die Knochenneubildung und -differenzierung. Resorbierbare Keramiken können als Beschichtungen die knöcherne Integration von Implantaten fördern. Ihre Degradation sollte dabei idealerweise mit der Knochenneubildung synchronisiert sein.

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Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

Es liegt in der menschlichen Natur, nach Attraktivität zu streben. Zeit und Geld werden darauf verwendet, einem bestimmten Schönheitsideal zu entsprechen. Unser Kauorgan betreffend, können Funktion und Ästhetik durch kieferorthopädische Therapie optimiert werden. Bei gegebener Indikation ist die Kieferorthopädie eine Therapieoption in jedem Lebensalter. Aufgrund der steigenden Anzahl erwachsener Patienten in der kieferorthopädischen Praxis ergibt sich, dass kieferorthopädische Hilfselemente immer häufiger auch auf keramischen Restaurationsflächen zuverlässig verankert werden müssen. Aus der Vielfalt der auf dem Markt verfügbaren Keramiken sind insbesondere Restaurationen aus Silikatkeramik sehr beliebt. Um Zähne im Rahmen einer kieferorthopädischen Behandlung kontrolliert bewegen zu können, ist die Befestigung von Hilfselementen wie Brackets, Tubes oder Attachments obligat. Die Anforderungen an den Haftverbund sind dabei komplex: Die Scherhaftfestigkeit (shear bond strength, SBS) muss ausreichen, um kieferorthopädischen Kräften standzuhalten und ein vorzeitiges Versagen des Haftverbundes zu verhindern. Nur so können kontinuierliche Zahnbewegungen zeitoptimiert ablaufen und ungewollte Bewegungen vermieden werden. Bei der Verankerung auf keramischen Oberflächen sollten weder durch den Konditionierungsvorgang, noch durch das Debonding nach abgeschlossener Behandlung irreversible Veränderungen auf der Restaurationsoberfläche resultieren. Je nach Ausmaß der Schädigung hat das nicht nur ästhetische Folgen: die erhöhte Rauigkeit begünstigt die bakterielle Besiedlung der Oberfläche und durch subkritisches Risswachstum (subcritical crack growth, SCG) ist die Beeinträchtigung der Langzeitstabilität der Restauration denkbar. Um kieferorthopädische Hilfselemente zuverlässig auf silikatkeramischen Oberflächen zu verankern, müssen diese Oberflächen konditioniert werden. In der kieferorthopädischen Praxis stehen dafür verschiedene Methoden mit individuellen Vor- und Nachteilen zu Verfügung. Wirkprinzip der Konditionierungsmaßnahmen ist zunächst das Etablieren einer mikroretentiven Oberfläche mittels Anrauen durch einen Präparierdiamant, Ätzen durch Flusssäure oder Sandstrahlen mit Aluminiumoxid und anschließend das Herstellen des Haftverbundes durch Auftragen eines Silans. Diese Maßnahmen führen zu irreversiblen Veränderungen der Keramikoberfläche, die bereits makroskopisch sichtbar sind. Ein alternatives Wirkprinzip versprechen neue Einkomponenten-Keramikprimer: Diese ätzen die Keramikoberfläche durch Ammoniumpolyfluorid und lassen dann den Haftverbund durch das ebenfalls enthaltene Trimethoxysilylpropyl-Methacrylat entstehen. Im Rahmen dieser Studie wurden Probekörper nach Vorlage einer Molarenkrone des Zahnes 36 durch ein computer-aided design/computer-aided manufacturing (CAD/CAM)-Verfahren hergestellt. Die Fläche zur Aufnahme des Bukkalröhrchens wurde entsprechend der Randomisierungsliste konditioniert: In Gruppe 1 bestand der Konditionierungsvorgang aus Anrauen und Ätzen mittels Flusssäure sowie Auftragen eines Silans, in Gruppe 2 aus Sandstrahlen mit Aluminiumoxid und Auftragen eines Silans, in Gruppe 3 aus Anrauen und Auftragen des Einkomponenten-Keramikprimers, in Gruppe 4 aus Auftragen des Einkomponenten-Keramikprimers, in Gruppe 5 lediglich aus Anrauen und in Gruppe 6 (Kontrollgruppe) erfolgte keine Konditionierung. Abschließend wurde das Tube mittels Befestigungskomposit verankert. Die SBS-Werte wurden bestimmt und die Integrität der Keramikoberfläche nach Debonding anhand des Adhesive-Remnant-Index (ARI) und des Crack-Tear-out-Index bewertet. Die Konditionierungsmaßnahmen der Gruppen I-IV konnten SBS-Werte generieren, die kieferorthopädischen Kräften standhalten. Deutliche Unterschiede zwischen den Gruppen konnten in Bezug auf Veränderungen an der Restaurationsoberfläche festgestellt werden. So kam es in den Gruppen I-III sowohl zu Rückständen von Befestigungskomposit auf der Oberfläche als auch zu Brüchen in/ Ausrissen aus der Keramik. Besonders geringe Veränderungen der Oberfläche bewirkte die Konditionierung mittels Einkomponenten-Keramikprimer. Um dem stetig steigenden Anspruch der Patienten an die kieferorthopädische Behandlung zu genügen, muss der Kieferorthopäde auf die Verlässlichkeit der verwendeten Materialien vertrauen können. Die in naher Zukunft neu auf dem Dentalmarkt verfügbaren Einkomponenten-Keramikprimer scheinen ein aussichtsreiches Hilfsmittel zur intraoralen Befestigung kieferorthopädischer Hilfselemente auf silikatkeramischen Oberflächen zu sein und konnten die an sie im Rahmen dieser in-vitro-Studie gestellten Anforderungen erfüllen.:1 Einführung 4 1.1 Zahnbewegung 4 1.2 Kräftesysteme 6 1.3 Kieferorthopädische Hilfselemente 7 1.4 Auswahl des Probekörpers 8 1.5 Dentale Keramiken 9 1.6 Verbund zwischen kieferorthopädischem Attachment und Restauration 11 2 Publikationsmanuskript 16 3 Zusammenfassung der Arbeit 24 4 Literaturverzeichnis 27 5 Anlagen 31 6 Darstellung des eigenen Beitrags 31 7 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 32 8 Lebenslauf 33 9 Publikationen 34 10 Danksagung 35

Innerhalb dieser Arbeit sollte das Osteointegrationsvermögen von vier neuartigen calciumhaltigen Keramikbeschichtungen für knochenersetzende Implantate (FA-CZP, Ca4Ti3O10, GB14, 602020)auf Ti6Al4V Grundkörpern unter besonderer Berücksichtigung ihrer Resorbierbarkeit in vivo untersucht und bewertet werden. Als Vergleich dienten eine herkömmliche Hydroxylapatitbeschichtung und unbeschichtete, aufgeraute Ti6Al4V- Implantate. Die Probekörper wurden in die distale Femurmetaphyse bei Kaninchen implantiert. Nach Versuchszeiten von 2, 4, 6, 12 und 24 Wochen wurden die implantattragenden Knochenproben histologisch- morphologisch und quantitativ histomorphometrisch untersucht. FA-CZP (langzeitstabil) verursachte eine Mineralisierungsstörung im Interface und iste deshalb als Knochersatzmaterial nicht zu empfehlen. Ca4Ti3O10 als langzeitstabile dünne Beschichtung ermöglichte im Vergleich zu unbeschichteten Ti6Al4V- Implantaten initial eine Stimulation der Knochenneubildung und stellt -frühzeitiger als diese- direkten Knochenkontakt her. Die beiden schnell resorbierbaren Keramiken, GB14 und 602020, beweisen, dass mit einer Erhöhung der Löslichkeit eine Steigerung der osteogenen Reaktivität im orthotopen Lager verbunden ist. 602020 war stark abbaubar. Histomorphologisch war das korreliert mit einer vermehrten Osteoblasten- und Osteoidproliferation im Interface, was sekundär zu einer verzögerten Knochenreifung führte. GB14 als moderat resorbierbares Material zeigte insgesamt die besten Resultate. GB14 förderte im Vergleich zu HA die Knochenneubildung und -differenzierung. Resorbierbare Keramiken können als Beschichtungen die knöcherne Integration von Implantaten fördern. Ihre Degradation sollte dabei idealerweise mit der Knochenneubildung synchronisiert sein.

Morphotrope PZT-Keramiken sind Festkörperlösungen aus Bleizirkonat und Bleititanat mit chemischen Zusammensetzungen um die 47% Ti-Anteil. Sie weisen im gepolten Zustand die größten piezoelektrischen Koppelkonstanten auf und sind daher von speziellem Interesse. Zur Vorhersage des Polungszustandes und der Bauteilfestigkeit in komplexen Bauteilen werden elektromechanisch gekoppelte Materialmodelle benötigt. In dieser Arbeit wird ein mikromechanischer Modellansatz aus der Literatur aufgegriffen. Ausgangspunkt ist ein dreidimensionales tetragonales Modell, welches ein repräsentatives Volumenelement des Kornverbundes und ein mikroskopisches Kornmodell vereint. Damit gelingt die Beschreibung der Korninteraktionen infolge unterschiedlicher Polungszustände der Körner. Die Domänenstruktur der Körner wird mittels der Volumenanteile der kristallographischen Varianten dargestellt. Ein vereinfachter Satz an mikroskopischen Materialkonstanten wird anhand experimenteller Daten und theoretischer Betrachtungen aus der Literatur abgeleitet. Die für zwei Lastfälle berechneten makroskopischen Materialantworten zeigen explizit, dass das tetragonale Modell nicht in der Lage ist, das Verhalten morphotroper PZT-Keramiken nachzubilden. Aus diesem Grund wird das Modell im Hinblick auf die besondere kristallographische Struktur morphotroper PZT-Keramiken um eine rhomboedrische Phase in veränderlichen Anteilen erweitert. Die somit berechneten makroskopischen Antworten stimmen sowohl quantitativ als auch qualitativ gut mit experimentellen Ergebnissen überein. Der Einfluss der im Modell berücksichtigten Kristallstruktur auf die makroskopische Materialantwort wird in der Arbeit ausführlich analysiert. / Morphotropic PZT ceramics are solid solutions made of lead zirconate and lead titanate with chemical composition around 47% Ti-content. When poled they possess the greatest piezoelectric coupling constants for which they are of special interest. Predicting the poling condition and the strength in complex devices requires electromechanically coupled material models. Within this work, a micromechanical modelling approach is utilised. Starting point is a three-dimensional tetragonal model, which combines a representative volume element of the grain compound together with a microscopic grain model. This allows the consideration of grain interaction due to different poling conditions of the grains. The domain structure of the grains is captured by volume fractions of the crystallographic variants. A simplified set of microscopic material constants is derived from experimental and theoretical data given in the literature. The macroscopic material response, which is computed for two load cases, shows explicitly that the tetragonal model is not capable of reproducing the behaviour of morphotropic PZT ceramics. Therefore, the model is extended by the rhombohedral phase in varying quantity with view of the specific crystallographic structure of morphotropic PZT ceramics. The so computed macroscopic response shows a quantitatively as well as qualitatively good agreement with experimental results. The effect of the crystallographic structure which is considered within the model on the macroscopic material response is extensively analysed.

Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

Morphotrope PZT-Keramiken sind Festkörperlösungen aus Bleizirkonat und Bleititanat mit chemischen Zusammensetzungen um die 47% Ti-Anteil. Sie weisen im gepolten Zustand die größten piezoelektrischen Koppelkonstanten auf und sind daher von speziellem Interesse. Zur Vorhersage des Polungszustandes und der Bauteilfestigkeit in komplexen Bauteilen werden elektromechanisch gekoppelte Materialmodelle benötigt. In dieser Arbeit wird ein mikromechanischer Modellansatz aus der Literatur aufgegriffen. Ausgangspunkt ist ein dreidimensionales tetragonales Modell, welches ein repräsentatives Volumenelement des Kornverbundes und ein mikroskopisches Kornmodell vereint. Damit gelingt die Beschreibung der Korninteraktionen infolge unterschiedlicher Polungszustände der Körner. Die Domänenstruktur der Körner wird mittels der Volumenanteile der kristallographischen Varianten dargestellt. Ein vereinfachter Satz an mikroskopischen Materialkonstanten wird anhand experimenteller Daten und theoretischer Betrachtungen aus der Literatur abgeleitet. Die für zwei Lastfälle berechneten makroskopischen Materialantworten zeigen explizit, dass das tetragonale Modell nicht in der Lage ist, das Verhalten morphotroper PZT-Keramiken nachzubilden. Aus diesem Grund wird das Modell im Hinblick auf die besondere kristallographische Struktur morphotroper PZT-Keramiken um eine rhomboedrische Phase in veränderlichen Anteilen erweitert. Die somit berechneten makroskopischen Antworten stimmen sowohl quantitativ als auch qualitativ gut mit experimentellen Ergebnissen überein. Der Einfluss der im Modell berücksichtigten Kristallstruktur auf die makroskopische Materialantwort wird in der Arbeit ausführlich analysiert. / Morphotropic PZT ceramics are solid solutions made of lead zirconate and lead titanate with chemical composition around 47% Ti-content. When poled they possess the greatest piezoelectric coupling constants for which they are of special interest. Predicting the poling condition and the strength in complex devices requires electromechanically coupled material models. Within this work, a micromechanical modelling approach is utilised. Starting point is a three-dimensional tetragonal model, which combines a representative volume element of the grain compound together with a microscopic grain model. This allows the consideration of grain interaction due to different poling conditions of the grains. The domain structure of the grains is captured by volume fractions of the crystallographic variants. A simplified set of microscopic material constants is derived from experimental and theoretical data given in the literature. The macroscopic material response, which is computed for two load cases, shows explicitly that the tetragonal model is not capable of reproducing the behaviour of morphotropic PZT ceramics. Therefore, the model is extended by the rhombohedral phase in varying quantity with view of the specific crystallographic structure of morphotropic PZT ceramics. The so computed macroscopic response shows a quantitatively as well as qualitatively good agreement with experimental results. The effect of the crystallographic structure which is considered within the model on the macroscopic material response is extensively analysed.

In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, die die zur Verfügung stehende Pulsenergie von Hochleistungslasern effektiv nutzen und in einem Schritt eine Vielzahl einzelner periodisch angeordneter Strukturen herstellen. Dazu wird durch optische Strahlformung ein Laserstrahl mit mehreren Intensitätsmaxima hergestellt. Dazu wurden das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und die Microlensarray-Strukturierung (MLAS) genutzt. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, großflächig periodische Strukturen in einem einstufigen Verfahren herzustellen. Beim DLIP werden mit einem Laserpuls, aufgrund von Interferenzeffekten mehrere tausend Linien oder Punkte auf bis zu Quadratzentimeter großen Flächen erzeugt. Microlensarrays (MLA) sind optische Elemente mit einer periodischen Linsenanordnung, die mehrere Brennpunkte aus einem einzigen Laserstrahl erzeugen. Durch die Verwendung als Fokussieroptik können einige tausend Laserpunkte mit einem einzigen Puls erzeugt werden. Anhand verschiedener Materialien werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken untersucht und die Qualität der Strukturen im Hinblick auf die geplante Anwendung untersucht. Die für diese Arbeit genutzten Materialien sind ausschließlich nichtmetallische Werkstoffe. Es werden die Keramiken Hydroxylapatit, Aluminium- und Zirkonoxid, die leitfähigen Dünnschichten aluminium- und bordotiertes Zinkoxid und Indiumzinnoxid auf Glassubstrat und der Kunststoff PET untersucht. Hydroxylapatit ist eine Keramik die aufgrund ihrer guten Biokompatibilität in Knochen- und Zahnimplantaten verwendet wird. Eine Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Verbesserung des Zellwachstums. Aluminium- und Zirkonoxid werden ebenfalls in Gelenkimplantaten verwendet jedoch als Gleitfläche. Eine Strukturierung dieser Flächen verringert möglicherweise Reibung und Verschleiß in ähnlicher Weise wie bei Metallen bereits mehrfach gezeigt. Hier werden aufgrund der benötigten Strukturgrößen mit Perioden von mehreren Mikrometern sowohl DLIP als auch MLAS genutzt. Die leitfähigen Schichten und das PET finden vorrangig in optischer Elektronik Anwendung. Diese findet zunehmende Bedeutung in Form von Solarzellen und Lichtemittierenden Dioden. Die periodische Strukturierung des Substrates oder des beschichteten Substrates bringt ein Beugungsgitter in diese Elemente ein. Bestehende Untersuchungen haben bereits einen positiven Effekt von lithografisch hergestellten Beugungsgittern nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob DLIP ebenfalls einen positiven Effekt hat.

In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, die die zur Verfügung stehende Pulsenergie von Hochleistungslasern effektiv nutzen und in einem Schritt eine Vielzahl einzelner periodisch angeordneter Strukturen herstellen. Dazu wird durch optische Strahlformung ein Laserstrahl mit mehreren Intensitätsmaxima hergestellt. Dazu wurden das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und die Microlensarray-Strukturierung (MLAS) genutzt. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, großflächig periodische Strukturen in einem einstufigen Verfahren herzustellen. Beim DLIP werden mit einem Laserpuls, aufgrund von Interferenzeffekten mehrere tausend Linien oder Punkte auf bis zu Quadratzentimeter großen Flächen erzeugt. Microlensarrays (MLA) sind optische Elemente mit einer periodischen Linsenanordnung, die mehrere Brennpunkte aus einem einzigen Laserstrahl erzeugen. Durch die Verwendung als Fokussieroptik können einige tausend Laserpunkte mit einem einzigen Puls erzeugt werden. Anhand verschiedener Materialien werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken untersucht und die Qualität der Strukturen im Hinblick auf die geplante Anwendung untersucht. Die für diese Arbeit genutzten Materialien sind ausschließlich nichtmetallische Werkstoffe. Es werden die Keramiken Hydroxylapatit, Aluminium- und Zirkonoxid, die leitfähigen Dünnschichten aluminium- und bordotiertes Zinkoxid und Indiumzinnoxid auf Glassubstrat und der Kunststoff PET untersucht. Hydroxylapatit ist eine Keramik die aufgrund ihrer guten Biokompatibilität in Knochen- und Zahnimplantaten verwendet wird. Eine Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Verbesserung des Zellwachstums. Aluminium- und Zirkonoxid werden ebenfalls in Gelenkimplantaten verwendet jedoch als Gleitfläche. Eine Strukturierung dieser Flächen verringert möglicherweise Reibung und Verschleiß in ähnlicher Weise wie bei Metallen bereits mehrfach gezeigt. Hier werden aufgrund der benötigten Strukturgrößen mit Perioden von mehreren Mikrometern sowohl DLIP als auch MLAS genutzt. Die leitfähigen Schichten und das PET finden vorrangig in optischer Elektronik Anwendung. Diese findet zunehmende Bedeutung in Form von Solarzellen und Lichtemittierenden Dioden. Die periodische Strukturierung des Substrates oder des beschichteten Substrates bringt ein Beugungsgitter in diese Elemente ein. Bestehende Untersuchungen haben bereits einen positiven Effekt von lithografisch hergestellten Beugungsgittern nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob DLIP ebenfalls einen positiven Effekt hat.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 4 2.1 Verfahren zur Herstellung periodischer Strukturen 4 2.1.1 Überblick 4 2.1.2 Laserabtragende Verfahren 5 2.1.3 Photolithografische Verfahren 16 2.2 Ausgewählte Anwendungen von Oberflächenstrukturen 19 2.2.1 Optimierung der Effizienz von organischer Elektronik 19 2.2.2 Veränderung der biologischen Eigenschaften 25 2.2.3 Veränderung der tribologischen Eigenschaften 27 3 Materialien und Methoden 29 3.1 Verwendete Materialien 29 3.1.1 Eigenschaften der verwendeten Keramiken 29 3.1.2 Eigenschaften der verwendeten transparenten leitfähigen Oxide 30 3.1.3 Eigenschaften des verwendeten Polyethylenterephthalat 31 3.1.4 Übersicht zu allen Materialkennwerten 32 3.2 Experimenteller Aufbau 33 3.2.1 Verwendetes Lasersystem 33 3.2.2 Bestimmung der Ablationsschwellfluenzen 33 3.2.3 Klassischer Laserinterferenzstrukturierungsaufbau 35 3.2.4 Strukturierung mittels Microlensarray (MLA) 37 3.2.5 Übersicht der untersuchten Materialien und Methoden 38 3.3 Charakterisierungsmethoden 39 3.3.1 Charakterisierung der Oberflächentopographie 39 3.3.2 Charakterisierung der optischen Eigenschaften 40 3.3.3 Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften 40 3.3.4 Charakterisierung der tribologischen Eigenschaften 41 3.4 Thermische Simulation 41 4 Ergebnisse und Diskussion der Oberflächenstrukturierung 43 4.1 Strukturierung von Keramiken 43 4.1.1 Bestimmung der Ablationsschwellen der Keramiken 43 4.1.2 Direkte Laserinterferenzstrukturierung der Keramiken 46 4.1.3 Microlensarray-Strukturierung der Keramiken 59 4.2 Ergebnisse der Strukturierung der transparenten leitfähigen Oxide 73 4.2.1 Bestimmung der Ablationsschwellen 73 4.2.2 Strukturierung von Aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO) 75 4.2.3 Strukturierung von bordotiertem Zinkoxid (ZnO:B) 89 4.2.4 Strukturierung von Indiumzinnoxid (ITO) 100 4.3 Ergebnisse der Strukturierung von PET 106 4.4 Übersicht der ermittelten Parameter 118 5 Entwicklung neuer Strukturierungskonzepte und deren Möglichkeiten 121 5.1 Vergleich der Strukturierung von Keramiken mit MLAS und DLW 121 5.2 Kombination der DLIP Technik mit einem Galvanometer-Scanner 126 5.3 Konzept zur Integration der DLIP Technik in ein Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren 131 5.4 Theoretisch Erreichbare Strukturierungsgeschwindigkeiten der neuen Bearbeitungskonzepte 134 6 Zusammenfassung 136 Literatur 141