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In kaltgezogenen perlitischen Stahldrähten tritt bei mechanischer Verformung eine Zementitauflösung auf. Dieses Phänomen hat aufgrund der Defektstruktur, die sich während der starken Belastung aufbaut, erheblichen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Materials. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Zementitauflösung auf die Leerstellenkonzentration in Ferrit (α-Eisen) auf indirektem Weg über die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von Nickel mittels Atomsondentomografie (APT) untersucht. Im untersuchten Temperaturbereich zwischen 423 und 523 K wurde eine starke Korrelation zwischen dem Diffusionskoeffizienten von Nickel und der Kohlenstoffkonzentration in Ferrit festgestellt. Des Weiteren wurde für die Ni-Diffusion eine Aktivierungsenthalpie von (0.66 ± 0.05) eV ermittelt, welche sehr viel kleiner ist als die Aktivierungsenthalpie für die Selbstdiffusion in α-Eisen (2.6 eV), was auf eine erhöhte Leerstellenkonzentration hinweist. Sowohl die Korrelation zwischen dem Diffusionskoeffizienten und der Kohlenstoffkonzentration als auch die erhöhte Leerstellenkonzentration können (aufgrund der Anreicherung des Ferrits mit Kohlenstoff infolge der Zementitauflösung) mit der Bildung von Leerstellen-Kohlenstoff-Komplexen im Ferrit erklärt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Rahmen des Defactant-Konzepts, nach dem die Bindung von übersättigtem Kohlenstoff an Leerstellen deren Bildungsenthalpie absenkt, diskutiert.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Charakterisierung von epitaktischem Graphen auf Siliziumkarbid (0001) mittels Raman-Spektroskopie. Nach der Einführung theoretischer sowie experimenteller Grundlagen werden das Wachstum von Graphen auf Siliziumkarbid (SiC) behandelt und die untersuchten Materialsysteme vorgestellt. Es wird gezeigt, dass das Raman-Spektrum von epitaktischem Graphen auf SiC (0001) neben den Phononenmoden des Graphens und des Substrats weitere Signale beinhaltet, welche der intrinsischen Grenzflächenschicht, dem Buffer-Layer, zwischen Graphen und SiC zugeordnet werden können. Das Raman-Spektrum dieser Grenzflächenschicht kann als Abbild der phononischen Zustandsdichte interpretiert werden. Fortführend werden verspannungsinduzierte Änderungen der Phononenenergien der G- und 2D-Linie im Raman-Spektrum von Graphen untersucht. Dabei werden starke Variationen des Verspannungszustands beobachtet, welche mit der Topographie der SiC-Oberfläche korreliert werden können und erlauben, Rückschlüsse auf Wachstumsmechanismen zu ziehen. Die Entwicklung einer neuen Messmethode, bei der das Raman-Spektrum von Graphen durch das SiC-Substrat aufgenommen wird, ermöglicht die detektierte Raman-Intensität um über eine Größenordnung zu erhöhen. Damit wird die Raman-spektroskopische Charakterisierung eines Graphen-Feldeffekttransistors mit top gate ermöglicht und ein umfassendes Bild des Einflusses der Ladungsträgerkonzentration und der Verspannung auf die Positionen der G- und 2D-Raman-Linien von quasifreistehendem Graphen auf SiC erarbeitet.

Ion irradiation of tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin films induces a carbon phase transformation from the electrically insulating sp3 hybridization into the conducting sp2 hybridization. In this work, a detailed study on the electrical resistivity and the microstructure of areas, irradiated with several ion species at 30 keV energy is presented. Continuous ion bombardment yields a drastic drop of the resistivity as well as significant structural modifications of the evolving sp2 carbon phase. It is shown that the resistivity lowering can be attributed to the degree of graphitization in the film. Furthermore, the structural ordering processes are correlated with the ion deposited energy density. It is therefore revealed that the ion-induced phase transformation in ta-C films is a combination of sp3-to-sp2 conversion of carbon atoms and ion-induced ordering of the microstructure into a more graphite-like arrangement. All experiments were done with focused ion beam (FIB) systems by applying FIB lithography of electrical van-der-Pauw test structures. FIB lithography on ta-C layers is presented as a fast and easy technique for the preparation of electrically active micro- and nanostructures in an insulating carbon matrix.

The excellent electrical and mechanical properties of carbon nanotubes (CNTs) provide interesting opportunities to realize new types of strain gauges. However, there are still challenges for the further development of CNT film strain gauges, for instance the lack of design rules, the homogeneity, stability and reproducibility of CNT films. This thesis aims to address these issues from two sides: simulation and experiment. Monte Carlo simulations show that both the sheet resistance and gauge factor of CNT films are determined essentially by the two-dimensional exclude area of CNTs. It was shown, for the first time, that the variation of the CNT film gauge factor follows the percolation scaling law. The sheet resistance and gauge factor both have a power-law divergence when approaching the percolation threshold. The standard deviation of film resistances, however, also increases correspondingly. These findings of simulations provide a general guide to the tailoring of material property of CNT films in strain sensing applications: a compromise should be made between the reproducibility, conductivity and sensitivity of CNT films depending on application purposes. From the experimental side, the processing parameters for the preparation of CNT dispersions were first investigated and optimized. The reproducibility of the film resistance is significantly improved by selecting a suitable sonication time. In strain measurements it was found that for most CNT films the film resistance responses nonlinearly to the applied strain. The dependence of the film resistance on the strain can be roughly divided into two regions with nearly linear behavior respectively. The gauge factor varies with the quality of CNTs and the depositing method. A gauge factor up to 8 was achieved in the high strain region. The nonlinear response behavior was found in simulations when the CNT waviness is properly taken into account. To achieve a high gauge factor and simultaneously retain the high conductivity and reproducibility, good-quality MWCNTs were integrated in polyethylene oxide (PEO). A high gauge factor up to 10 was achieved for the composite film with CNT weight fraction of 2.5%. The resistance and gauge factor can be tuned by changing the MWCNT weight fraction with respect to PEO. A careful comparison of simulation and experiment results show that a good qualitative agreement can be achieved between them in many respects.

Iron filled carbon nanotubes (FeCNT) can be described as carbon nanotubes which contain an iron nanowire of several micrometers length and a diameter of approximately 10-100 nm. The carbon shells protect the iron core from oxidation and mechanical damage thus enabling a wide range of applications that require a long-term stability. The magnetic properties of the enclosed nanowire are in part determined by its small size and elongated shape. Magnetic force microscopy (MFM) measurements show that the iron wire exhibits a single domain behavior. Due to the large shape anisotropy it is magnetized along the long wire axis in the remanent state. Two magnetic monopoles of opposing polarity are located at the wire extremities. Depending on the structure and geometry of the individual nanowire, switching fields in the range of 100-400 mT can be found when the external field is applied along the FeCNT’s easy axis. Cantilever magnetometry shows that the switching can be attributed to a thermally assisted magnetization reversal mechanism with the nucleation and propagation of a domain wall. The defined magnetic properties of individual FeCNT combined with their mechanical strength make them ideal candidates for an application as high resolution high stability MFM probes. The fabrication of such probes can be achieved with the help of a micromanipulation setup in a scanning electron microscope. FeCNT MFM probes achieve a sub 25 nm lateral magnetic resolution. MFM measurements with FeCNT MFM probes in external fields show that the magnetization of these probes is exceptionally stable compared to conventional coated MFM probes. This greatly simplifies the data evaluation of such applied field MFM measurements. The emphasis of this work was put on the calibration of FeCNT probes to enable straightforward quantitative MFM measurements. The defined shape of the magnetically active iron nanowire allows an application of a point monopole description. Microscale parallel current carrying lines that produce a defined magnetic field are used as calibration structures to determine the effective magnetic moment of different MFM probes. The line geometry is varied in order to produce multiple magnetic field decay lengths and investigate the influence on the effective probe moment. The results show that while the effective magnetic monopole moment of a conventional MFM probe increases with an increasing sample stray field decay length, the effective moment of a FeCNT MFM probe remains constant. This enables a MFM probe calibration that stays valid for a large variety of magnetic samples. Furthermore, the fitted monopole moment of a FeCNT probe (in the order of 10E-9 Am) is consistent with the moment calculated from the nanowire geometry and the saturation magnetization of iron.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Modifizierung von Oberflächen durch die Abscheidung alternierender Schichtsysteme auf Kohlenstofffasern und die Abscheidung von Aluminiumoxid auf organischen Membranen. Im ersten Kapitel wird das Vorgehen zur Abscheidung von organischen und anorganischen Schichten auf Kohlenstofffasern mittels der Atomlagenabscheidung und der oberflächeninitiierten Gasphasenabscheidung betrachtet. Dabei wird als Erstes auf die Abscheidung von Einzellagen und deren Optimierung eingegangen sowie im Anschluss auf die Übertragung dieser Parameter auf die Abscheidung von alternierenden Multilagensystemen. Mittels elektronenmikroskopischen-Untersuchungen, Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie, wird die Abscheidung der Materialien untersucht. Weiterhin können mit Hilfe von thermogravimetrischen Analysen die Oxidationsbeständigkeit der beschichteten Kohlenstofffasern sowie die einzelnen Schichtdicken bestimmt werden. Im zweiten Kapitel wird auf die Beschichtung von organischen Membranen eingegangen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Beschichtung von nicht-hierarchisch und hierarchisch strukturierten Membranen mit Aluminiumoxid. Dafür werden die Atomlagenabscheidung und die Grenzflächenreaktion der Gasphase mit der im Feststoff gebundenen Flüssigphase angewendet. Unter Anwendung dieser beiden Verfahren ist es gelungen, dünne und gleichmäßige Schichten auf den Membranen abzuscheiden. Die Charakterisierung erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie. Zum Schluss wurden Filtrationsexperimente zum Vergleich der Stabilität und Durchflussraten der beschichteten mit den unbeschichteten Membranen durchgeführt.

In order to improve the purity of steel castings, the use of special reactive coatings on carbon-bonded ceramic foam filters was explored. Carbon nanotubes were dispersed in water by means of ultrasonic treatment, using xanthan gum to stabilize the nanotubes in suspension and control the rheological behavior. The coatings were applied by cold spraying and binding was achieved during heat treatment in reducing atmosphere, thanks to an artificial pitch added to the slurry. The coated filters were successfully immersed in molten steel for different times. The thickness of the first alumina layer generated at the interface was independent of the immersion time: concentration gradients through its thickness suggested that the formation of this structure is limited by diffusion. Investigation of the steel after solidification by means of ASPEX showed that the presence of the coating influenced the size as well as the chemical composition of the remaining inclusions. Nano-coated filters had the best filtration efficiency (up to 95% for alumina inclusions after 10 s), but longer tests resulted in worse performance. In addition, coatings based on calcium aluminates in combination with carbon showed an efficiency greater than 97% for steel samples taken directly from the melt.

Silicon was selectively removed from a silicon carbonitride (SiCN) aerogel by hot chlorine gas treatment, leading to a N-doped carbon aerogel (N-CDC aerogel). The combined effects of pyrolysis and etching temperature were studied with regard to the change in the composition of the material after etching as well as the microstructure of the produced hierarchically porous material. Upon removal of Si from amorphous SiCN, carbon and nitrogen, which are not bonded together in the starting material, react, creating new C–N bonds. The removal of silicon also gives rise to a high amount of micropores and hence a high specific surface area, which can be beneficial for the functionality of the carbonaceous material produced. The mesoporous structure of the aerogel allows us to complete the etching at low temperature, which was found to be a crucial parameter to maintain a high amount of nitrogen in the material. The combination of a high amount of micropores and the mesopore transport system is beneficial for adsorption processes due to the combination of a high amount of adsorption sites and effective transport properties of the material. The N-CDC aerogels were characterized by nitrogen physisorption, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), thermogravimetry (TG/DTA), and infrared spectroscopy (DRIFT) and they were evaluated as CO2 absorbers and as electrodes for electric double-layer capacitors (EDLCs).