Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bewertung eines Mehrfachschichtmodells für Permeationsbarrieren auf Basis einer detaillierten Charakterisierung der zugrunde liegenden Einzelschichten. Diese sind reaktiv gesputterte Oxidschichten als Barriereschicht und mittels Magnetron-PECVD abgeschiedene siliziumhaltige Plasmapolymerschichten zur Verwendung als Zwischenschicht. Zunächst werden die verschiedenen gesputterten Oxidschichten charakterisiert und verglichen. Die untersuchten Materialien sind Zinkoxid, Siliziumoxid, Zink-Zinn-Oxid, Aluminiumoxid und Titanoxid. Die wirkenden Permeationsmechanismen und die Ursachen für teils deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien werden diskutiert. Während die Sauerstoffpermeation immer durch Punktdefekte in den Schichten bestimmt wird, muss bei der Wasserdampfpermeation von weiteren Permeationsmechanismen ausgegangen werden. Am Beispiel des Zink-Zinn-Oxids und des Aluminiumoxids wird anschließend die Abhängigkeit der Permeationseigenschaften von wesentlichen Prozessparametern wie Sputterleistung, Prozessdruck oder reaktiver Arbeitspunkt untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Plasmapolymerschichten hinsichtlich ihrer Struktur- und Permeationseigenschaften charakterisiert und mit gesputtertem Siliziumoxid verglichen. Die Abhängigkeit der Permeationseigenschaften vom Kohlenstoffgehalt in den Schichten wird untersucht. Anhand der gewonnenen Ergebnisse werden abschließend sowohl die Sputterschichten als auch die mittels Magnetron-PECVD abgeschiedenen Schichten hinsichtlich ihrer Eignung für ein Barrieremehrfachschichtsystem bewertet. / The aim of this PhD-thesis is to evaluate a concept for a multilayer permeation barrier by a detailed characterization of the different constituent of the layer stack. The multilayer concept is based on reactively sputtered permeation barrier layers and an interlayer that is deposited by using a magnetron based plasma enhanced chemical vapor deposition (Magnetron-PECVD) process. In the first part of this thesis, different sputtered oxide layers are characterized and compared regarding their structural and surface properties as well as their water vapor and oxygen permeability. These oxide layers include the materials zinc oxide, silicon oxide, zinc-tin oxide, aluminum oxide and titanium oxide. The permeation mechanisms and reasons for significant differences in the water vapor and oxygen transmission rates in the different materials are evaluated and discussed. Oxygen permeation thereby is always dominated by defects in the layers. In contrast to that, additional permeation mechanisms can be assumed for water vapor permeation. The dependence of the gas permeation on sputter process parameters like plasma power, process pressure and reactive sputtering mode is evaluated for zinc-tin oxide and aluminum oxide layers. In the second part of this thesis, plasma polymer layers that are deposited using the Magnetron-PECVD process are characterized regarding their structure and surface roughness. Their water vapor and oxygen permeability is compared to the permeation through reactively sputtered silicon oxide layers. The dependence of the gas permeation on the atomic composition, in particular on the carbon concentration, is evaluated. Finally, both the sputtered oxide layers and the Magnetron-PECVD plasma polymer layers are evaluated regarding their usability in a multilayer stack for high permeation barrier applications.

In der vorliegenden Arbeit wird eine integrierbare Pumpentechnologie für polymerbasierte mikrofluidische Systeme entwickelt. Ausgehend von den Anforderungen für die Durchführung molekulardiagnostischer Nachweise kommen dabei Fertigungsverfahren zum Einsatz, die sich auch für Einweg-Anwendungen eignen. Das genutzte Aktorprinzip für die integrierten Mikropumpen basiert auf der Elektrolyse von Wasser. Zur besseren technologischen Integrierbarkeit wird das Wasser in Form eines Hydrogels appliziert. Der Elektrolyt wird dabei mit einer Polymermembran mit geringer Wasserdampfdurchlässigkeit verschlossen. Die Membran wird in ihrem plastischen Verformbereich genutzt. Zur Dimensionierung der Mikropumpen und des mikrofluidischen Systems werden analytische und numerische Modelle entwickelt, die eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten zeigen. Die Funktionsfähigkeit wird anhand zweier vollständig integriert ablaufender Immunoassays demonstriert. Dabei kommt ein polymerbasierter, optischer Biosensor zum Einsatz.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bewertung eines Mehrfachschichtmodells für Permeationsbarrieren auf Basis einer detaillierten Charakterisierung der zugrunde liegenden Einzelschichten. Diese sind reaktiv gesputterte Oxidschichten als Barriereschicht und mittels Magnetron-PECVD abgeschiedene siliziumhaltige Plasmapolymerschichten zur Verwendung als Zwischenschicht. Zunächst werden die verschiedenen gesputterten Oxidschichten charakterisiert und verglichen. Die untersuchten Materialien sind Zinkoxid, Siliziumoxid, Zink-Zinn-Oxid, Aluminiumoxid und Titanoxid. Die wirkenden Permeationsmechanismen und die Ursachen für teils deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien werden diskutiert. Während die Sauerstoffpermeation immer durch Punktdefekte in den Schichten bestimmt wird, muss bei der Wasserdampfpermeation von weiteren Permeationsmechanismen ausgegangen werden. Am Beispiel des Zink-Zinn-Oxids und des Aluminiumoxids wird anschließend die Abhängigkeit der Permeationseigenschaften von wesentlichen Prozessparametern wie Sputterleistung, Prozessdruck oder reaktiver Arbeitspunkt untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Plasmapolymerschichten hinsichtlich ihrer Struktur- und Permeationseigenschaften charakterisiert und mit gesputtertem Siliziumoxid verglichen. Die Abhängigkeit der Permeationseigenschaften vom Kohlenstoffgehalt in den Schichten wird untersucht. Anhand der gewonnenen Ergebnisse werden abschließend sowohl die Sputterschichten als auch die mittels Magnetron-PECVD abgeschiedenen Schichten hinsichtlich ihrer Eignung für ein Barrieremehrfachschichtsystem bewertet. / The aim of this PhD-thesis is to evaluate a concept for a multilayer permeation barrier by a detailed characterization of the different constituent of the layer stack. The multilayer concept is based on reactively sputtered permeation barrier layers and an interlayer that is deposited by using a magnetron based plasma enhanced chemical vapor deposition (Magnetron-PECVD) process. In the first part of this thesis, different sputtered oxide layers are characterized and compared regarding their structural and surface properties as well as their water vapor and oxygen permeability. These oxide layers include the materials zinc oxide, silicon oxide, zinc-tin oxide, aluminum oxide and titanium oxide. The permeation mechanisms and reasons for significant differences in the water vapor and oxygen transmission rates in the different materials are evaluated and discussed. Oxygen permeation thereby is always dominated by defects in the layers. In contrast to that, additional permeation mechanisms can be assumed for water vapor permeation. The dependence of the gas permeation on sputter process parameters like plasma power, process pressure and reactive sputtering mode is evaluated for zinc-tin oxide and aluminum oxide layers. In the second part of this thesis, plasma polymer layers that are deposited using the Magnetron-PECVD process are characterized regarding their structure and surface roughness. Their water vapor and oxygen permeability is compared to the permeation through reactively sputtered silicon oxide layers. The dependence of the gas permeation on the atomic composition, in particular on the carbon concentration, is evaluated. Finally, both the sputtered oxide layers and the Magnetron-PECVD plasma polymer layers are evaluated regarding their usability in a multilayer stack for high permeation barrier applications.

In der vorliegenden Arbeit wird eine integrierbare Pumpentechnologie für polymerbasierte mikrofluidische Systeme entwickelt. Ausgehend von den Anforderungen für die Durchführung molekulardiagnostischer Nachweise kommen dabei Fertigungsverfahren zum Einsatz, die sich auch für Einweg-Anwendungen eignen. Das genutzte Aktorprinzip für die integrierten Mikropumpen basiert auf der Elektrolyse von Wasser. Zur besseren technologischen Integrierbarkeit wird das Wasser in Form eines Hydrogels appliziert. Der Elektrolyt wird dabei mit einer Polymermembran mit geringer Wasserdampfdurchlässigkeit verschlossen. Die Membran wird in ihrem plastischen Verformbereich genutzt. Zur Dimensionierung der Mikropumpen und des mikrofluidischen Systems werden analytische und numerische Modelle entwickelt, die eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten zeigen. Die Funktionsfähigkeit wird anhand zweier vollständig integriert ablaufender Immunoassays demonstriert. Dabei kommt ein polymerbasierter, optischer Biosensor zum Einsatz.

Many pieces of fine art are made of wood that has been treated with coatings. Since wood is a very hygroscopic material, the moisture content strongly influences the deformation of wooden parts. Coatings often act as moisture barriers. Therefore, the moisture permeability of coatings must be considered for the evaluation of the structural behaviour. The mechanical properties are also relevant to evaluate the deformation of thin artwork like panel paintings as well as the damage of paintings and varnishes. Therefore, the mechanical properties and the permeability of selected coatings used for cultural wooden artwork are investigated and presented in the article at hand. In this study, coatings of three artworks are investigated: a Lusatian cupboard from the eighteenth century, an altarpiece by L. Cranach the Elder and a Russian icon from 1912. The coatings considered are white ground, colours, varnishes, glue and textile reinforced sizing. Mechanical tests are conducted to evaluate the stiffness and tensile strength of the Russian icon’s coating. Cup tests are made to identify the moisture permeability of the coatings. This test was conducted for single coatings as well as for coating systems consisting of different coatings to investigate both the moisture barrier of single coatings and the interaction of coatings. Exponential functions for the relative humidity-dependent permeability are fitted based on the experimental data. The results allow the quantification of permeability for all investigated coatings—from white ground with a high permeability to beeswax with a low permeability—and the magnitude of moisture dependency of the coating’s permeability. Furthermore, it is shown that the simple addition of the water vapour resistance of single coatings underrates the resistance of a total coating system. By the mechanical tests, the strength, ultimate strain and Young’s modulus are obtained. The permeability and the mechanical parameters are required as input for numerical simulations of the structural behaviour of coated wooden artwork. These results are a good step forward to assess the risk of damage of coated wooden artwork.