Stuttgart, Univ., Diss., 2001 (Nicht für den Austausch).

Stuttgart, Universiẗat, Diss., 2001. / Dateiformat: tgz, Dateien im PDF-Format.

Plasmapolymer-Metall-Compositschichten werden durch alternierende Plasmapolymerisation und thermische Verdampfung hergestellt. Dabei entsteht ein Mehrlagensystem aus Plasmapolymergrund-, Composit- und Plasmapolymerdeckschicht mit einer Gesamtdicke von ca. 100 nm. Die Informationen ueber Groesse, Form und Verteilung der dispers eingelagerten Nanometallpartikel werden unter dem Begriff Mikrostruktur zusammengefasst. Deren Bestimmung erfolgt durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Verbindung mit optischer Bildverarbeitung. Die Mikrostruktur veraendert sich unter Normalbedingungen nicht. Veraenderungen werden zunaechst durch thermische Ausheizung induziert und im TEM nachgewiesen. Lokal begrenzte Mikrostrukturveraenderungen koennen durch eine Laser-Bestrahlung (NdYAG:1064 nm) induziert werden. Die optischen Eigenschaften des Mehrlagensystems werden nach der Herstellung und nach thermischer Ausheizung bzw. Laser-Bestrahlung bestimmt. Deren Veraenderungen werden unter der Verwendung von Effektivmedien (Maxwell-Garnett, Bergman) modelliert und in Bezug zu Veraenderungen von Partikelgroesse und -form gesetzt. Die zu Mikrostrukturveraenderungen fuehrenden physikalischen Prozesse werden durch Ausheizungen in situ im TEM untersucht. In Abhaengigkeit von der Mikrostruktur vor Beginn der Ausheizung und erreichter Temperatur waehrend der Ausheizung werden Rekristallisation und atomare Diffusion (Ostwald-Reifung, Koaleszenz) gefunden. Unter Hochaufloesungsbedingungen im TEM wird erstmals eine elektronenstrahlinduzierte Koaleszenz von matrixeingelagerten Silberpartikeln in situ beobachtet. Bei der externen Elektronenbestrahlung in einer UHV-Apparatur werden die gefundenen Prozesse bei elektronenstrahlinduzierten Mikrostrukturveraenderungen ausgenutzt. Die gegenwaertige Aufloesung liegt bei der Modifizierung von Linien der Breite von 2 Mikrometer bei einem Abstand von 4 Mikrometer.

Bis zu 95 % der Wirkstoffe von Arzneimittel der Humanmedizin werden unverändert ausgeschieden oder gelangen über die täglichen Hygiene in den Wasserkreislauf. Die meisten Substanzen werden sehr schnell und vollständig abgebaut oder liegen in Konzentrationen vor, in denen sie keine Gefährdung für die Umwelt und den Menschen darstellen. Im Gegensatz dazu gibt es aber auch Substanzen, die nur sehr schwer abgebaut werden können (persistent sind) und für die bereits negative Langzeiteffekte in umweltrelevanten Konzentrationen für Tiere nachgewiesen wurden. Ein Beispiel dafür ist der schmerzstillende Wirkstoff Diclofenac. Aus diesem Grund und wegen der guten Kenntnislage hinsichtlich Vorkommen, Abbauprodukte und Analytik wurde Diclofenac als Referenzverbindung für die Experimente im Rahmen dieses Projekts verwendet. Aufgrund der geringen Konzentration von Diclofenac in Wasser und der chemischen Stabilität von Diclofenac sowie einiger anderer Spurenstoffe sind herkömmliche Wasserbehandlungsverfahren, wie sie derzeit in Kläranlangen verwendet werden, ineffizient oder zu teuer. Deshalb gibt es zahlreiche Bemühungen, alternative und umweltschonende Behandlungsverfahren zur Entfernung von Arzneimittelrückständen aus Wasser zu entwickeln, die einen vollständigen Abbau der Rückstände ermöglichen. Idealerweise sollten technische Lösungen zur Verfügung stehen, die gegebenenfalls in jedem Land der Erde einsetzbar wären. Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz zur Entwicklung fotokatalytischer Schichten, die idealerweise bereits bei Tageslicht eine ausreichend hohe Aktivität aufweisen, ist besonders interessant, da es nach Optimierung weder des zusätzlichen Einsatzes von Chemikalien noch des Einsatzes von Energie bedarf. So werden durch die Bestrahlung des Katalysators (z.B. ZnO, TiO2) mit künstlichem UV-Licht, perspektifisch aber mit UV-A-Strahlung der Sonne sowohl Wasser als auch Luftsauerstoff zu reaktiven Hydroxylradikalen umgesetzt, die letztendlich die unspezifischen Spaltung organischer Verbindungen im Wasser bewirken. Voraussetzung für die Optimierung hinsichtlich katalytischer Aktivität und Empfindlichkeit gegenüber Tageslicht ist ein Herstellungsverfahren, das die Optimierung der fotokatalytischen Schichten bezüglich verschiedener Parameter (optimale Größe, enge Größenverteilung, Möglichkeit der einfachen Dotierung, Verhinderung der Agglomeration bei gleichzeitiger dauerhafter Immobilisierung) erlaubt. Diesbezüglich besonders aussichtsreich ist die Verwendung von hoch geordneten bakteriellen Hüllproteinen sogenannten „surface-layer“ (S-Layer)-Proteinen, die sowohl eine einfache Herstellung von fotokatalytisch aktiven Nanopartikeln aus verschiedenen Elementen erlauben, als auch zur Beschichtung verschiedener Materialien geeignet sind. Ein Ziel im Projekt ist die Herstellung von reinen und dotierten ZnO und TiO2-Nanopartikeln zur Eliminierung von Diclofenac aus Wasser (siehe Abbildung 1). Dabei dienen S-Layer verschiedener Bakterien und damit Proteinschichten mit unterschiedlichen Symmetrien, Gitterabständen und Porengröße als Template für die Herstellung von Nanopartikeln verschiedener aber definierter Größe. Darüber hinaus werden die S-Layer im Projekt als Trenn- und Immobilisierungsschicht für die erzeugten Nanopartikel genutzt. Letzteres vor allem zur Verhinderung einer Agglomeration und des Austrags der Nanopartikel, was beides einen Verlust der katalytischen Aktivität entsprechender Schichten bedeuten würde. Als Träger werden im Rahmen des Projekts verschiedene in technischen Anwendungen genutzte Materialien dahin gehend überprüft, in wie weit sich S-Layer darauf abscheiden lassen und stabile Schichten ausbilden und darauf aufbauend ein Trägermaterial für die Herstellung fotokatalytisch aktiver Beschichtungen ausgewählt. Gleichzeitig war es Ziel des Projektes, die Biomassegewinnung hinsichtlich eines Upscalings und hinsichtlich der Kosten zu optimieren. Ausgehend von dieser konkreten wissenschaftlichen Fragestellung war es auch Ziel des Projektes, ein verwertungsorientiertes Netzwerk aufzubauen. Dies vor allem zur Sicherung der Fortentwicklung der neuen Materialien und der Weiterführung der begonnenen Arbeiten in dem konkreten Forschungsgebiet mit dem Ziel der Entwicklung eines marktreifen Produktes aber auch zur Etablierung einer dauerhaften Kooperation zwischen den verschiedenen Forschungs- und Industriepartnern. Diese Ziele sollten insbesondere über eine Vernetzung von Instituten innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft, weiteren regionalen und überregionalen Forschungseinrichtungen sowie Industriepartnern erreicht werden. Die sehr gute gerätetechnische Ausstattung, die im vorliegenden Fall über die Projektmittel erreicht wurde, war nicht nur Voraussetzung zur Durchführung der geplanten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und zur Herstellung von Materialien im kleintechnischen Maßstab, sondern erhöhte auch die Attraktivität des Teams als Projektpartner weiter und nachhaltig. Erfahrungen aus dem Projekt und dem Prozess der Netzwerkbildung sollen insbesondere unter Einbeziehung der Geschäftsstelle der Leibniz-Gemeinschaft zur Entwicklung eines Prozessleitfadens für die Bildung von Verwertungs- und Transfernetzwerken innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft genutzt werden.

CuI is a p-type transparent conductive semiconductor with unique optoelectronic properties, including wide band gap (3.1 eV), high hole mobility (>40 cm2 V−1 s−1 in bulk), and large room-temperature exciton binding energy (62 meV). The difficulty in epitaxy of CuI is the main obstacle for its application in advanced solid-state electronic devices. Herein, room-temperature heteroepitaxial growth of CuI on various substrates with well-defined in-plane epitaxial relations is realized by reactive sputtering technique. In such heteroepitaxial growth the formation of rotation domains is observed and hereby systematically investigated in accordance with existing theoretical study of domain-epitaxy. The controllable epitaxy of CuI thin films allows for the combination of p-type CuI with suitable n-type semiconductors with the purpose to fabricate epitaxial thin film heterojunctions. Such heterostructures have superior properties to structures without or with weakly ordered in-plane orientation. The obtained epitaxial thin film heterojunction of p-CuI(111)/n-ZnO(00.1) exhibits a high rectification up to 2 × 109 (±2 V), a 100-fold improvement compared to diodes with disordered interfaces. Also a low saturation current density down to 5 × 10−9 Acm−2 is formed. These results prove the great potential of epitaxial CuI as a promising p-type optoelectronic material.

Ziel dieser Arbeit ist die phänomenologische Untersuchung der Feuchteempfindlichkeit der elektrischen Eigenschaften dünner Polymerschichten. Diese Untersuchungen stellen gleichzeitig Vorarbeiten zur Entwicklung von Prototypen von zwei polymeren Dünnschicht-Feuchtesensoren dar, die sich durch die spezielle Auswahl der feuchtesensitiven Materialien jeweils durch eine besondere Eigenschaft gegenüber kommerziellen Massenprodukten auszeichnen. Ziel der Entwicklungsarbeiten für den ersten Prototypen war die Konstruktion eines schnellen Feuchtesensors, der plötzliche und sprunghafte Feuchteänderungen in der umgebenden Atmosphäre möglichst rasch detektieren kann. Dafür wurden dünne Schichten von Poly-DADMAC auf Interdigitalstrukturen aufgebracht, die einen möglichst direkten Kontakt zwischen feuchtesensitiver Schicht und umgebender, feuchter Atmosphäre gewährleisten. Als Messgrößen dienten die Wechselstromgrößen Widerstand und Kapazität der Schichten. Die Feuchtekennlinien der Schichten zeigen gute Konstanz und hohe Reproduzierbarkeit. Der Widerstand der Schichten ändert sich durch den Einfluss von Feuchte je nach Schichtdicke um 3 bis 5 Größenordnungen und eignet sich als Messgröße für die Feuchtigkeit im gesamten Feuchtebereich. Die Hysterese der Filme konnte auf kleiner als 2,5% r.F. bestimmt werden, die Reproduzierbarkeit auf besser als 1% r.F. Die Ansprechzeit der Schichten lässt sich schichtdickenabhängig zu 1 bis 10 Sekunden bestimmen. Hierbei zeigen besonders die dünnen Schichten kurze Ansprechzeiten. Zielstellung für den zweiten Feuchtesensor war die Entwicklung eines Prototypen, dessen sensitive Schicht sich biostatisch und biozid verhält, so dass er in biotischen Umgebungen eingesetzt werden kann. Es wurden fünf Polysulfobetaine synthetisiert, deren Biozidität und Biostatik mit dem Kontakttest nach Rönnpagel, dem ISO846-Test und Abbautests bestimmt wurde. Zwei Polymere – Poly-DMMAAPS (BT2) und Poly-[MSA-Styren-Sulfobetain] (BT5) – erwiesen sich als ausreichend biozid und biostatisch. Schichten dieser Polymere wurden auf Interdigitalstrukturen aufgezogen, anschließend wurden die Kennlinien dieser Proben aufgenommen. Die Messwerte zeigen für beide Polymere gute Konstanz und eine hohe Reproduzierbarkeit. BT2-Proben sind zwischen 20% und 80% r.F. besonders empfindlich und zeigen über einen Monat keine Langzeitdrift. Vernetzte Proben zeigen bis 50°C keinen temperaturbedingten Abfall der Feuchteempfindlichkeit. Der Einsatz vernetzter BT5-Schichten als kapazitiver Feuchtesensor ist bis etwa 70°C möglich, die Schichten sind selbst nach Lagerung im Hochvakuum und mehrfacher Betauung stabil. Damit liegen zwei funktionsfähige Prototypen von Feuchtesensoren vor, für die die meisten Kennwerte denen von vergleichbaren kommerziellen Feuchtesensoren entsprechen. Gleichzeitig zeichnen sie sich aber durch eine sehr niedrige Ansprechzeit bzw. eine ausreichende Lebensdauer unter biotischen Bedingungen aus. / The topic of this work is the phenomenological investigation of the humidity sensitivity of the electrical properties of thin polymer films. These investigations also act as preparatory work for the development of prototypes of two polymer thin film humidity sensors, which by the choice of the humidity sensitive materials stand out by one special property each compared with commercial mass products. The aim of the development work for the first prototype was the construction of a fast humidity sensor, which can rapidly detect sudden and erratic humidity changes in the surrounding atmosphere. Thin films of poly-DADMAC were prepared on interdigitated structures that allow for undisturbed contact between the sensitive layer and the surrounding humid atmosphere. Measured variables were the ac resistance and capacity of the films. The humidity characteristics of the films show good stability and high reproducibility. Under the influence of humidity the resistance of the films changes by 3 to 5 orders of magnitude, depending on the film thickness, and is suitable to measure the humidity in the entire humidity range. The hysteresis of the films is lower than 2.5% r.h., the reproducibility better than 1% r.h. The response time of the layers can be determined to 1 to 10 seconds, depending on their thickness. The thin films, specifically, show very short response times. The aim for the second humidity sensor was the development of a prototype, where the sensitive film is biostatic and biocide, so that it can be used to measure the humidity in biotic environments. Five polysulfobetaines were synthesized and their biocidity and biostatics were tested with the contact test according to Rönnpagel, the ISO846 test and degradation tests. Two of the polymers - poly-DMMAAPS (BT2) and poly-[MSA-styrene-sulfobetaine] (BT5) - showed sufficient biocidity and biostatics. Films of these polymers were prepared on interdigitated structures, then their humidity characteristics were recorded. The measured values show good stability and high reproducibility for both polymers. Samples of BT2 are highly sensitive between 20% and 80% r.h. and show no long-term drift after one month. Cross-linked samples show no decrease of the humidity sensitivity in temperatures up to 50 degrees Celsius. Cross-linked films of BT5 can be used as a capacitive humidity sensor up to 70 degrees Celsius, and the samples are stable even after storage in high vacuum and multiple dew cycles. These two functional prototypes of humidity sensors show characteristic data comparable to those of commercial sensors. However, they stand out, respectively, with a very short response time and a sufficient life time in biotic environments.

Den Kern der Untersuchungen bildete die Messung der mechanischen Spannungen in dünnen Kupferschichten während thermischer Zyklen und nach Belastung durch Vierpunktbiegung. Parallel dazu wurden Charakterisierungen der Korngröße, der Textur und korninnerer Defekte, inbesondere von Versetzungen durchgeführt. Bei den Spannungsmessungen fielen folgende Besonderheiten auf: (i) höhere Festigkeiten mit abnehmender Schichtdicke, (ii) hohe Verfestigungsraten bei der Abkühlung, (iii) Asymmetrie der Fließspannungen in Zug- und Druckrichtung und (iv) hohe Spannungen bei hohen Temperaturen. Da die klassischen Plastizitätsmodelle diese Besonderheiten zu erklären vermögen, wurden zwei neue Modelle entwickelt. Das erste beschreibt eine effektive Verfestigung auf der Basis elastischer Wechselwirkungen zwischen mobilen Versetzungen und sich an der Schicht/Substrat-Grenzfläche ansammelnder Versetzungen. Das zweite Modell bezieht sich auf das Korngrenzendiffusionskriechen und erklärt dessen Behinderung durch die unvollständige laterale elastische Relaxation auf einem Substrat haftender Körner. Das gesamte thermomechanische Verhalten kann nur aus dem Zusammenwirken verschiedener strukturbildender und Plastizitäts-Mechanismen beschrieben werden.

Im Hochvakuum durch thermisches Verdampfen erzeugte polykristalline Schichten aus den organischen Molekülen: Kupferphthalocyanin (CuPc), N,N'-Dimethyl-Perylendicarboximid (MPP) und Fulleren (C60), werden mittels Transmissions- und Reflexionsspektroskopie auf ihre optischen Eigenschaften hin untersucht und die optischen Konstanten bestimmt. Durch die Abscheidung auf Spaltstrukturen und in Mehrschichtform kann das elektrische Gleichstromverhalten dieser Substanzen in Abhängigkeit von Beleuchtung und Probentemperatur analysiert werden. Die durch die Einbettung von Metallclustern (Gold, Kupfer, Silber) hervorgerufenen Veränderungen besonders im optischen, aber auch im elektrischen Verhalten, werden durch den Vergleich der Meßergebnisse mit ungestörten Proben erhalten. Die Untersuchung der Morphologie mittels TEM-Aufnahmen zeigt, daß die Clusterabmessungen und -formen in Abhängigkeit von der gewählten Materialkombination stark variieren können. Ramanmessungen an Mischsystemen zeigen, neben der für Silber erwarteten Erhöhung des molekularen Signals, auch Kupfer- und Goldeinlagerungen SERS-Effekte. Beim Einbau von Metallclustern in organische Einschichtsolarzellen konnte deren Wirkungsgrad bei Beleuchtung mit einem Sonnensimulator (AM2) bis zu einem Faktor ca. 3 erhöht werden.

Die Bildung von CoSi$_{2}$ bei der Festphasenreaktion duenner Co-Schichten mit Si(001)-Substraten bei verschiedenen Herstellungsverfahren wird elektronenmikroskopisch untersucht. Die Ergebnisse koennen mit RBS- und XRD-Resultaten korreliert werden. Praeparationsmethoden elektronentransparenter Proben werden erlaeutert. Die gebildeten Silicidschichten werden in bezug auf die enthaltenen Phasen und Orientierungsbeziehungen ihrer Kristallite untereinander und zum Si-Substrat charakterisiert. Es wird gezeigt, dass die Reaktion von Co-Schichten mit Si$_{1-x}$C$_{x}$-Substraten (x <= 0.005) zu einem mit wachsendem Kohlenstoffgehalt steigenden Anteil epitaktischer Kristallite in der gebildeten CoSi$_{2}$-Schicht fuehrt. Die Ursache dafuer wird in der durch den Kohlenstoff behinderten Co-Diffusion gesehen. Die Rolle des Kohlenstoffs bei Diffusionsvorgaengen in Si wird diskutiert. Die Festphasenreaktion der Metall-Doppelschichtsysteme Co/Ti und Co/Hf auf Si(001)-Substraten mit dem Ziel der Epitaxie von CoSi$_{2}$ wird in bezug auf die unterschiedliche Wirkung der Zwischenschichtmetalle Ti und Hf, als Bildner einer Co-Diffusionsbarriere, untersucht. Es werden eine CoSi-Zwischenphase mit Vorzugsorientierungen ihrer Kristallite und die Nukleation des angestrebten epitaktischen CoSi$_{2}$ an der CoSi/Si-Grenzflaeche nachgewiesen. Die hoehere Qualitaet der epitaktischen CoSi$_{2}$-Schichten aus dem Co/Ti/Si-System wird auf eine effektivere Diffusionsbarriere zurueckgefuehrt, welche eine hoehere CoSi$_{2}$-Nukleationstemperatur bewirkt. Die gefundene Silicid-Phasensequenz wird unter thermodynamischen, kinetischen und strukturellen Gesichtspunkten diskutiert. / The formation of CoSi$_{2}$ by solid phase reaction using different methods is analysed by means of electron microscopy. The results correspond to RBS and XRD measurements. A description of the sample preparation for transmission electron microscopy is given. The formed silicide films are characterized with respect to the contents of different phases and the orientation relations between their crystallites and between them and the Si-substrate. For the reaction of Co films with Si$_{1-x}$C$_{x}$-substrates (x <= 0.005) it is shown that a rising carbon concentration of the Si-substrates leads to an increasing content of epitaxial crystallites in the CoSi$_{2}$-films formed. The reason for this is supposed to be the limitation of the Co diffusion caused by the carbon. The role played by carbon in diffusion processes in Si is discussed. The solid phase reaction of the metallic bi-layers Co/Ti and Co/Hf with Si(001)-substrates aimed at CoSi$_{2}$ epitaxy is analysed concerning the different effects produced by Ti and Hf as barrier-forming film materials. An intermediately appearing CoSi-phase with preferred orientations of its crystallites and the nucleation of the epitaxial CoSi$_{2}$, aimed at, at the CoSi/Si-interface were found. The higher quality of the epitaxial CoSi$_{2}$ obtained in the Co/Ti/Si-system is attributed to a more effective diffusion barrier in this film system, causing a higher CoSi$_{2}$ nucleation temperature. The found sequence of silicide phases is discussed taking into consideration thermodynamical, kinetical and structural aspects.

Bibliographische Beschreibung und Referat Dani, Ines "ECR-Plasmadiagnostik im System Ar-H2-N2-TMS und Charakterisierung der entstehenden SiCxNy:H-Schichten" Technische Universität Chemnitz, Institut für Physik, Dissertation, 2002 (102 Seiten, 62 Abbildungen, 17 Tabellen, 74 Literaturstellen) In den letzten Jahren wurde im Rahmen der Entwicklung neuartiger Hartstoffschichten verstärkt das System Si-C-N untersucht. Das am häufigsten zur Herstellung genutzte Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Plasmagestützte CVD-Verfahren bieten die Möglichkeit, auch bei geringen Substrattemperaturen Schichten mit guten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Der Abscheideprozess ist jedoch sehr komplex und bis heute nicht vollständig verstanden. Eine Optimierung erfolgt daher meist nach dem trial-and-error-Prinzip, was aber durch die Vielzahl an frei wählbaren Parametern sehr zeitaufwendig ist. Der Zusammenhang zwischen äußeren, regelbaren Parametern und inneren Entladungsparametern ist die Grundlage für ein besseres Verständnis der Plasmachemie und der Schichtwachstumsprozesse in einem molekularem Nichtgleichgewichtsplasma. Da beschichtende Plasmen besonders hohe Anforderungen an die verwendeten Diagnostikverfahren stellen, ist es in den meisten Fällen nicht möglich, die primär für die Schichtbildung interessanten Teilchen zu beobachten. Nur aus der Kombination sich ergänzender Verfahren können elementare Prozesse der Schichtbildung bestimmt werden. Aus ihrer Kenntnis ergibt sich die Möglichkeit einer gezielten Beeinflussung von Schichteigenschaften auf der Basis physikalisch relevanter Größen. In dieser Arbeit wird die Herstellung von amorphen SiCxNy:H-Schichten mit einem ECR-plasmagestützten CVD-Verfahren untersucht. Als Precursor wird dabei Tetramethylsilan (TMS) genutzt. Das vorrangig zur Bestimmung von Teilchenzahldichten eingesetzte Verfahren ist die optische Emissionsspektroskopie. Eine Weiterentwicklung der Aktinometrie ermöglicht die Bestimmung absoluter Teilchenzahldichten unter Beschichtungsbedingungen. Unter Zugrundelegung des Korona-Modells und der Nutzung publizierter Ratenkoeffizienten werden die Grundzustandsdichten von atomarem Wasserstoff, CH und Silicium berechnet. Die Überprüfung der Methode anhand von Argon zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den optisch bestimmten und den gaskinetisch berechneten Teilchenzahldichten. Die Verfälschung der berechneten Teilchenzahldichten durch dissoziative Anregung von H durch H2 ist in einem Plasma mit H2-Zugabe nicht zu vernachlässigen. Dagegen ist der Einfluss dissoziativer Anregung aus TMS auf H, CH und Si sehr gering. Die Teilchenzahldichten von Si und CH sind bei konstantem TMS-Fluss von der Elektronendichte abhängig, bei steigendem TMS-Fluss kommt es in Abhängigkeit von der jeweiligen Elektronendichte zu einer Sättigung. Die Teilchenzahldichte von atomarem Wasserstoff steigt linear mit dem TMS-Fluss. Eine Abscheidung mit hoher Rate ist nur durch Si-haltige Precursorfragmente mit kleinen Massenzahlen möglich. Als Maß für die Entstehung dieser Fragmente können die Teilchenzahldichten von Si bzw. CH genutzt werden.