Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Dresden.

Glaskeramische Komposite, deren Herstellung von Glas- und kristallinen Pulvern ausgeht, bieten vielfältige Möglichkeiten, Werkstoffeigenschaften, wie z.B. Sinterverhalten, thermische Dehnung, mechanische Eigenschaften, chemische Beständigkeit, dielektrische Eigenschaften und Oberflächenqualität für spezielle Anwendungszwecke gezielt einzustellen. Glaskeramische Kompositpulver können zu Folien verarbeitet werden, aus denen mittels der LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics)- Technologie keramische Multilayer hergestellt werden, die insbesondere für das Electronic Packaging von Mikrosystemen eingesetzt werden. Problematisch ist die beim freien Sintern der LTCC-Multilayer auftretende laterale Schwindung, die von relativ hohen Schwindungstoleranzen begleitet ist. Zur Vermeidung der lateralen Schwindung werden Zero Shrinkage-Techniken eingesetzt. Eine neue Möglichkeit Zero Shrinkage beim Sintern von LTCC-Multilayern zu erreichen, besteht in der Anwendung eines self-constrained Laminates. Hierbei wird ein Multilayer eingesetzt, der aus zwei unterschiedlichen Folienarten für innere und äußere Lagen mit deutlich verschiedenen Sintertemperaturen (ΔT > 50 K) aufgebaut wird. Die Entwicklung von LTCC-Werkstoffen, die als innere Lagen eines self-constrained Laminates zur Verringerung der lateralen Sinterschwindung auf nahezu Null eingesetzt werden können, war Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Es wurden hierfür LTCC-Werkstoffe aus dem Stoffsystem CaO-La2O3-Al2O3-B2O3 untersucht, die bei Temperaturen unterhalb 800 °C dicht gesintert werden können. Ausgehend von der Entwicklung geeigneter Gläser auf der Basis von Calciumlanthanborat- sowie Calciumlanthanalumoboratgläsern wurden glaskeramische Komposite unter Zusatz von Korundpulver hergestellt. Die Komposite kristallisieren während des Brennprozesses nahezu vollständig. Aus der Glasphase kristallisiert Lanthanborat aus und aufgrund der festkörperchemischen Reaktion der calciumboratreichen Restglasphase mit dem Korund bilden sich vor allem Calciumalumoborat bzw. Calciumalumoboratoxid. Die Anteile an neuen Phasen bestimmen die thermischen und dielektrischen Eigenschaften der Werkstoffe. Die wichtigsten der sich bildenden kristallinen Phasen der Komposite, Lanthanborat und Calciumalumoboratoxid wurden separat hergestellt und charakterisiert. Das Sinter- und Kristallisationsverhalten sowie die thermischen und dielektrischen Eigenschaften der glaskeramischen Komposite wurden in Abhängigkeit von den entwickelten Gläsern, dem Volumenverhältnis von Glas- und kristalliner Komponente im Kompositpulver und der Brenntemperatur untersucht. Die entwickelten LTCC-Werkstoffe wurden bzgl. ihrer thermischen Eigenschaften an einen zuvor ausgewählten LTCC-Werkstoff für die äußeren Lagen eines self-constrained Laminates angepasst. Erzielt wurden die Eigenschaftswerte: TEC: ca. 5 x 10-6/K, er: ca. 7 und tan δ: ≤ 1 x 10-3. Zur Überprüfung der Anwendbarkeit wurde der entwickelte LTCC-Werkstoff als innere Lagen in einem LTCC-Multilayer verarbeitet. Dadurch konnte die laterale Schwindung des Multilayers beim Sintern auf < 0,4 % verringert werden.

<p>Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit zwei Themengebieten. Es ging zum einen um die mechanischen Eigenschaften von Polyelektrolythohlkapseln und zum anderen um die Adhäsion von Polyelektrolythohlkapseln.</p> <p>Die mechanischen Eigenschaften wurden mit der AFM „colloidal probe” Technik untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Kraftdeformationskurven für kleine Deformationen den nach der Schalentheorie vorhergesagten linearen Verlauf haben. Ebenso wurde die quadratische Abhängigkeit der Federkonstanten von der Dicke bestätigt. Für PAH/PSS findet man einen E-Modul von 0.25 GPa. Zusammen mit der Tatsache, dass die Deformationskurven unabhängig von der Geschwindigkeit sind und praktisch keine Hysterese zeigen, sowie der Möglichkeit die Kapseln plastisch zu deformieren, kann man schließen, dass das System in einem glasartigen Zustand vorliegt.</p> <pt>Erwartungsgemäß zeigte der pH einen starken Einfluss auf die PEM. Während in einem pH-Bereich zwischen 2 und 11.5 keine morphologischen Änderungen festgestellt werden konnten, vergrößerte sich der Radius bei pH = 12 um bis zu 50 %. Diese Radienänderung war reversibel und ging einher mit einem sichtbaren Weicherwerden der Kapseln. Eine Abnahme des E-Moduls um mindestens drei Größenordungen wurde durch Kraftdeformationsmessungen bestätigt. Die Kraftdeformationskurven zeigen eine starke Hysterese. Das System befindet sich nun nicht mehr in einem glasartigen Zustand, sondern ist viskos bis gummiartig geworden.</p> <p>Messungen an Kapseln, die mit Glutardialdehyd behandelt wurden, zeigten, dass die Behandlung das pH-abhängige Verhalten verändert. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass das PAH durch den Glutardialdehyd quervernetzt wird. Bei einem hohen Quervernetzungsgrad, zeigen die Kapseln keine Änderung des mechanischen Verhaltens bei pH = 12. Schwach quervernetzte Kapseln werden immer noch signifikant weicher bei pH = 12, jedoch ändert sich der Radius nicht.</p> <p>Außerdem wurden Multilagenkapseln untersucht, deren Stabilität nicht auf elektrostatischen Wechselwirkungen sondern auf Wasserstoffbrückenbindungen beruhte. Diese Kapseln zeigten eine deutlich höhere Steifigkeit mit E-Modulen bis zu 1 GPa. Es wurde gefunden, dass auch dieses System für kleine Deformationen ein lineares Kraft-Deformationsverhalten zeigt, und dass die Federkonstante quadratisch von der Dicke abhängt. Die Kapseln lösen sich praktisch sofort bei pH = 6.5 auf. In der Nähe dieses pHs konnte das Abnehmen der Federkonstanten verfolgt werden.</p> <p>Außerdem wurde das Adhäsionsverhalten von PAH/PSS Kapseln auf mit PEI-beschichtetem Glas untersucht. Die Adhäsionsflächen waren zu einem großen Teil rund und ließen sich quantitativ auswerten. Der Adhäsionsradius nimmt mit dem Kapselradius zu und mit der Dicke ab. Das Verhalten konnte mit zwei Modellen, einem für die große und einem für die kleine Deformation beschrieben werden. Das große Deformationsmodell liefert um eine Größenordung niedrigere Adhäsionsenergien als das kleine Deformationsmodell, welches mit Werten von ‑0.2 mJ/m² Werte in einem plausiblen Bereich liefert. Es wurde gefunden, dass bei einem Verhältnis von Dicke zu Deformation von etwa eins "buckling" auftritt. Dieser Punkt markierte zugleich den Übergang von der großen zur kleinen Deformation.</p> / <p>This work had two objectives. The first was to study the mechanical properties of polyelectrolyte hollow capsules depending on the pH and the wall composition utilizing the AFM colloidal probe technique. The second objective was to study the adhesion of these capsules varying the radius and thickness.</p> <p>It was found that the AFM colloidal probe technique can be utilized to measure the shells spring constant. The acquired deformation curves for small deformations showed the linear force deformation relation predicted by the shell theory. The stiffness of capsules composed of polyallylamine and polystyrenesulfonate scales quadratically with the thickness giving Young’s modulus of 0.25 GPa.</p> <p>Changing the pH had no effect concerning the morphology and the elastic properties of the afore mentioned capsules up to pH = 11.5. At pH = 12 the capsules’ radius increased between 30 % and 50 % and the elastic modulus decreased by more than one order of magnitude. This pH-change can be viewed as the glass transition of the material, being in a glassy state below pH = 11.5 and becoming rubbery at pH = 12. Introducing crosslinking into the capsule wall inhibited any morphological changes at pH = 12, while leaving the capsule stiffness sensitive for small degrees of crosslinking.</p> <p>It was possible to prove the quadratic thickness dependency of the stiffness for a system where the internal forces keeping together the multilayer were hydrogen bonds (poly(methacrylic acid) / poly-4-vinylpyrrolidone). These apsules are significantly stiffer than the afore mentioned ones (Young’s modulus 0.6 to 1 GPa) and show a strong reaction towards increasing the pH by dissolving within seconds. Close to the dissolution pH these capsules also exhibit a transition from a glassy to a rubbery state.</p> <p>Capsules composed of polyallylamine / polystyrene sulfonate adhered to polyethylene imine coated glass. The radius of the adhesion disc increased with the radius of the capsule and decreased with increasing thickness. This behaviour could be semi quantitatively described with a strong and a weak deformation model giving a value for the adhesion energy of ‑0.02 mJ/m² for the small deformation model. At deformations of the order of the thickness, the theoretically predicted buckling was observed.</p>

The Pulsed Laser Deposition is an established method for the preparation of thin films and nm layer systems. In this work a cross beam PLD system is used as a special development for reduction of macro particle contamination in the growing layer. Two plasma plumes which overlap under a defined angle are produced on separated targets by two synchronized lasers. In the overlapping zone the direction of plasma expansion is changed by interaction of plasma particles. A diaphragm is used to guaranty that only the part of the plasma is deposited on the substrate that has changed the direction of expansion in the interaction zone. Detailed characterizations of plasma properties, deposition and growth conditions were carried out to demonstrate that cross beam PLD is an effective method to reduce macro particle contamination and allows layer growth under reduced energetic loading of the substrate. In the second part of this work cross beam PLD is used to produce Ni/C multilayers and artificial mixtures. The interest is focused on the mechanisms of layer disintegration and structure formation under thermal loading. Possible processes for layer disintegration are discussed on a theoretical background and verified in TEM examinations. / Die Pulsed Laser Deposition ist ein etabliertes Verfahren zur Herstellung dünner Schichten im nm-Bereich. Das in dieser Arbeit verwandte PLD-Zweistrahlverfahren ist eine besondere Entwicklung zur Verringerung der Makropartikelkontamination der Schichten. Zwei synchronisierte Laser erzeugen auf zwei benachbarten Targets zwei Plasmafackeln, die unter einem bestimmten Winkel überlappen, was zu einer Änderung der Ausbreitungsrichtung des Palmas führt. Ein spezielle Blendenanordnung garantiert, dass nur der abgelenkte Teil des Plasmas auf dem Substrat abgeschieden wird, welches für die anfänglichen Plasmafackeln im Schatten liegt. Anhand einer umfangreichen Charakterisierung der Plasma-, Abscheide- und Schichtwachstumseigenschaften wird gezeigt, dass das PLD-Zweistrahlverfahren eine effektive Verminderung der Makropartikelkontamination der Schichten ermöglicht und dass das Schichtwachstum unter deutlich verringertem Energieeintrag im Vergleich zur konventionellen PLD erfolgt. Das Verfahren wird im zweiten Teil der Arbeit angewandt um Ni/C-Multischichten und künstliche Mischungen herzustellen. Das Interesse liegt hierbei auf den Mechanismen des Schichtzerfalls und auf den entstehenden Strukturen bei thermischer Behandlung metastabiler Schichtsysteme. Anhand theoretischer Betrachtungen werden die möglichen Prozess des Schichtzerfalls eingegrenzt und mittels TEM-Untersuchungen verifiziert.

Nanoskalige Multischichten besitzen attraktive physikalische Eigenschaften wie den Riesenmagnetwiderstand, die sehr sensibel von der Struktur der Grenzfläche und der Einzelschichtdicke abhängen. Mit Hilfe einer Wärmebehandlung wird versucht, den Riesenmagnetwiderstand der durch Sputtern abgeschiedenen Schichten zu erhöhen. In entmischenden System Co/Cu wird bei Einzelschichtdicken von 2nm eine Erhöhung des Riesenmagnetwiderstandes gemessen. Allerdings verringert sich der Widerstand bei höheren Temperaturen drastisch. Die Verringerung wird begleitet von einem Zerfall der Schichtstruktur. Diese Arbeit untersucht die thermische Stabilität und morphologische Entwicklung nanoskaliger Multischichten mit binären nichtmischbaren Komponenten während der Wärmebehandlung mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode und im Rahmen der Cahn-Hilliard-Theorie. Es wird gezeigt, dass bei einer Wärmebehandlung abgeschiedener Schichten die chemische Unschärfe der Phasengrenzfläche verringert werden kann. Bei der Wärmebehandlung bildet sich abhängig von der Temperatur eine morphologische Rauigkeit an der Phasengrenzfläche. Oberhalb einer kritische Temperatur findet ein Rauigkeitsübergang statt, bei der langwellige Rauigkeiten mit ständig wachsender Amplitude entstehen. Die Überlappung der Undulationen der morphologischen Rauigkeit von Unter- und Oberseite einer dünnen Schicht wurde als ein Mechanismus für die Bildung von Schichtdurchbrüchen identifiziert. In polykristallinen Schichten verursachen Korngrenzen thermische Instabilitäten der Multischicht. &amp;quot;Grain boundary grooving&amp;quot; wird als ein Mechanismus für die Bildung eines Schichtdurchbruchs an Korngrenzen vorgeschlagen. Durchbrochen Schichten ziehen sich getrieben durch Kapillarkräfte zurück. An den Endstellen bilden sich Wulste aus. Je nach Schichtdickenverhältnissesn kommt es zu einer Verschmelzung mit benachbarten Schichten gleicher Phase. Die ursprüngliche Schichtstruktur wird zerstört.

Es wurden die Zusammenhänge zwischen den Herstellungsbedingungen und dem nanostrukturellen Aufbau von Multischichten, mit Rücksicht auf das mechanische Verhalten aufgeklärt. Dazu wurden durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PACVD) Hartmetallsubstrate mit Viellagen beschichtet und vorrangig mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Als Schichkomponenten wurden hauptsächlich TiN und Al2O3 untersucht, daneben aber auch Schichtsysteme der Komponenten AlON, (TiAl)N, und (Ti,Al)ON. Darüber hinaus wurden noch TiC-aC (TiC mit amorphem Kohlenstoffanteil)-Schichten einbezogen. Ziel waren gleichmäßige Multischichten mit Korngrößen von einigen Nanometern, geringer Testur und geringer Mikrorissdichte, die hart sind und gut haften. Die TEM-Untersuchungen dienten insbesondere der Aufklärung der Nanostruktur in den Interface-Bereichen der Schichtsysteme, wobei an Hand der Elektronenenergie-Verlustspektroskopie (EELS) sowohl element- als auch phasenspezifische Signale ausgewertet wurden. Zur verbesserten Bewertung der anfallenden Datenmengen wurden z. T. faktoranalytische Methoden eingesetzt. Je nach Prozessführung der Schichtherstellung kommt es in den Interface-Bereichen zur Durchmischung der Komponenten. Insbesondere führt diffundierender Sauerstoff zur Bildung von TiO2, was sich nachteilig auf die Qualität der Schichten auswirkt. Die Tiefe der &amp;quot;gestörten&amp;quot; Zonen begrenzt die wünschenswerte Verringerung der Einzelschichtdicken. Als wirkungsvolle Gegenmaßnahme hat sich der Einbau von Kohlenstoff erwiesen, wodurch sich dünnere Einzelschichten verwirklichen lassen.

In dieser Arbeit wird die nanoskalige Struktur von Grenzschichten in binären metallischen Multischichten untersucht. Ausgangspunkt sind laserdeponierte Multischichten des mischbaren Systems Fe/Al und des nichtmischbaren Systems Co/Cu. Die Struktur der durch die hochenergetischen Teilchen bei der Deposition entstandenen Grenzschichten wird mit Hilfe von zahlreichen Analyseverfahren (RBS, CEMS, EXAFS, Röntgenverfahren, TEM, AES und magnetische Messungen), sowie Simulationsrechnungen auf Basis des ballistischen Mischens (TRIDYN) untersucht. Anschließend wird mit Hilfe von Ionenstrahlmischen und thermischem Anlassen die Grenzschichtstruktur weiter modifiziert.

In this bachelor thesis we report on our numerical investigations into the optimal design of protective multi-layer coatings subject to an external force of Hertzian form. In view of mechanical reliablity and durability of the substrate and the coating we aim to find the best composition of given materials with the least computational effort. Numerical studies are carried out using the simulation software ELASTICA being the first non-FEM approach for the computation of stress fields within multi-layer coated, elastic materials. We thereby made use of the massive parallel computer CLiC (Chemnitzer Linux Cluster) where we ran our Windows based application in a Wine Environment. The outcome of the optimization is in general very sensitive towards the input parameters(i.e., material properties) which are not always available in the desired accuracy. However, the scheme outlined in this work is shown to produce very good results and could contribute a great deal to find optimal solutions for real applications. / Diese Bachelorarbeit befasst sich mit numerischen Untersuchungen zum optimalen Design von schützenden Mehrschichtbeschichtungen, die einer externen, Hertzschen Last ausgesetzt sind. Hinsichtlich der mechanischen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Substrat und Beschichtung, versuchen wir die beste Zusammensetzung von gegebenen Materialien mit möglichst geringem Rechenaufwand zu finden. Die numerischen Berechungen wurden mit der Simulationssoftware ELASTICA durchgeführt, welches das erste kommerzielle, nicht-FEM-basierte Programm zur Berechnung von Stressfeldern innerhalb mehrfach beschichteter, elastischer Materialien darstellt. Dafür benutzten wir auf dem massiven Parrallelrechner CLiC (Chemnitzer Linux Cluster) unsere Windows basierte Anwendung unter der Emulationssoftware Wine. Das Ergebnis der Optimierung hängt im allgemeinen sehr stark von der Qualität der Eingangsparameter (z.B. Materialeigenschaften) ab, welche nicht immer in der erwünschten Genauigkeit vorliegen. Es wird gezeigt, dass die in dieser Arbeit vorgestellte Vorgehensweise sehr gute Resultate liefert und für reale Anwendungen einen äusserst ressourcenschonenden Lösungsweg darstellt.

Es wurden die Zusammenhänge zwischen den Herstellungsbedingungen und dem nanostrukturellen Aufbau von Multischichten, mit Rücksicht auf das mechanische Verhalten aufgeklärt. Dazu wurden durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PACVD) Hartmetallsubstrate mit Viellagen beschichtet und vorrangig mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Als Schichkomponenten wurden hauptsächlich TiN und Al2O3 untersucht, daneben aber auch Schichtsysteme der Komponenten AlON, (TiAl)N, und (Ti,Al)ON. Darüber hinaus wurden noch TiC-aC (TiC mit amorphem Kohlenstoffanteil)-Schichten einbezogen. Ziel waren gleichmäßige Multischichten mit Korngrößen von einigen Nanometern, geringer Testur und geringer Mikrorissdichte, die hart sind und gut haften. Die TEM-Untersuchungen dienten insbesondere der Aufklärung der Nanostruktur in den Interface-Bereichen der Schichtsysteme, wobei an Hand der Elektronenenergie-Verlustspektroskopie (EELS) sowohl element- als auch phasenspezifische Signale ausgewertet wurden. Zur verbesserten Bewertung der anfallenden Datenmengen wurden z. T. faktoranalytische Methoden eingesetzt. Je nach Prozessführung der Schichtherstellung kommt es in den Interface-Bereichen zur Durchmischung der Komponenten. Insbesondere führt diffundierender Sauerstoff zur Bildung von TiO2, was sich nachteilig auf die Qualität der Schichten auswirkt. Die Tiefe der &amp;quot;gestörten&amp;quot; Zonen begrenzt die wünschenswerte Verringerung der Einzelschichtdicken. Als wirkungsvolle Gegenmaßnahme hat sich der Einbau von Kohlenstoff erwiesen, wodurch sich dünnere Einzelschichten verwirklichen lassen.

In dieser Arbeit wird die nanoskalige Struktur von Grenzschichten in binären metallischen Multischichten untersucht. Ausgangspunkt sind laserdeponierte Multischichten des mischbaren Systems Fe/Al und des nichtmischbaren Systems Co/Cu. Die Struktur der durch die hochenergetischen Teilchen bei der Deposition entstandenen Grenzschichten wird mit Hilfe von zahlreichen Analyseverfahren (RBS, CEMS, EXAFS, Röntgenverfahren, TEM, AES und magnetische Messungen), sowie Simulationsrechnungen auf Basis des ballistischen Mischens (TRIDYN) untersucht. Anschließend wird mit Hilfe von Ionenstrahlmischen und thermischem Anlassen die Grenzschichtstruktur weiter modifiziert.