Bei der Produktion von Steckverbinderkontakten für die Elek­tronikindustrie nimmt die Oberflächenvergütung einen entscheidenden Platz ein. Für hohe Anforderungen an die Zuverlässig­keit werden nach wie vor Edelmetalle eingesetzt, die eine sichere Kontaktgabe gewährleisten. Die Entwicklung der Preise und der Verfügbarkeit zwingen jedoch zu weitgehenden Sparmaßnahmen beim Einsatz dieser Materialien bzw. zur völligen Substitution durch Unedelmetalle.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist der Einsatz von katalytisch beschichteten Wandreaktoren für die Herstellung großtonnagiger Produkte in der chemischen Industrie untersucht worden. Gegenstand der Bewertung waren die Propenoxidbildung aus Propen und Wasserstoffperoxid in der Gasphase sowie die Vinylacetatbildung aus Essigsäure und Ethen in Gegenwart von Sauerstoff. Hierzu wurden Diffusionskoeffizienten für die Diffusion der Gaskomponenten durch präparierte Katalysatorschichten untersucht und mit ermittelten Reaktionsgeschwindigkeiten Stofftransportlimitierungen für die Reaktionen abgeschätzt. Auch Wärmetransportlimitierungen wurden durch Ermittlung von Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der Schichten bestimmt. Ein Vergleich mit einem Rohrbündelreaktor ergab eine Vergleichbarkeit des Katalysatorvolumens bezogen auf das Reaktorvolumen für Schichtdicken in einer Größenordnung von 500 µm. Diese Schichtdicken liegen für mittelschnelle Reaktionen außerhalb der Stofftransportlimitierung und ermöglichen damit den Einsatz von Wandreaktoren mit deutlich limitierter Temperaturüberhöhung im Katalysator. Der Einsatz wird allerdings durch Schwierigkeiten hinsichtlich der Katalysatoreinbringung und der Wiedergewinnung sowie der Erhöhung der Katalysatormenge im Reaktor begrenzt.

Durch eine selektive Bedampfung von Kontaktbauteilen kann der Edelmetallverbrauch gesenkt werden. Das Molekularstrahlverfahren wird bezüglich seiner Eignung zur selektiven Beschichtung untersucht. Die wichtigsten Quellenparameter (Verdampfungsrate dN/dt und Halbwertsbreite H) werden abgeschätzt und mit der experimentell ermittelten Schichtdickenverteilung verglichen.

Der Einsatz von Edelmetallen für die Oberflächenveredelung von Steckverbinderkontakten bietet in zunehmendem Maße ökonomische Schwierigkeiten. Die Ursache dafür ist die Entwicklung der Preise und die Verfügbarkeit für diese Materialien. Ein Ausweg ist, sofern das die speziellen Einsatzbedingungen erlauben, eine Beschichtung mit Unedelmetallen. Übereinstimmend mit Veröffentlichungen in der Literatur wurden dafür bisher zunächst Zinn und seine Legierungen verwendet. Zinn und Zinnlegierungen wurden mittels Magnetronzerstäubung abgeschieden. Die chemische Zusammensetzung der Schichten wurde mit der Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) bestimmt. Die Kontakteigenschaften der Schichten wurden anhand von Korrosionstests und der Messung des Kontaktwiderstandes beurteilt.

Die Arbeit thematisiert die Optimierung von Beschichtungsvorgängen mithilfe der Ionenstrahlsputterdeposition hinsichtlich der Homogenität von Substraten mit Tiefenprofil. Dazu wurde eine Simulationssoftware entwickelt und hinsichtlich der Problemstellung an mehreren Beispielen getestet.

Starting off with solubility experiments of possible precursors, the present study reveals the whole development of a sol gel processing route for transparent p type semiconductive thin films with delafossite structure right to the fabrication of functional p-n junctions. The versatile sol formulation could successfully be modified for several oxide compositions, enabling the synthesis of CuAlO2, CuCrO2, CuMnO2, CuFeO2 and more. Although several differences in the sintering behaviour of powders and thin films could be observed, the powder experiments significantly contributed to the clearification of the intricate phase development during thermal annealing and also to optimization of the annealing sequence for thin film processing. Two different ternary systems turned out to be the most promising candidates for p-TCO application: Copper aluminum oxide for its high optical transmittance and copper chromium oxide for its low synthesis temperature, which allowed thin film deposition on low-cost borosilicate substrates. In order to combine the advantages of these two systems, the quaternary oxide composition CuAl1-xCrxO2 was investigated. With a higher optical transmittance than CuCrO2, a lower synthesis temperature than CuAlO2 and a lower resistivity than both parent systems, the optimum composition of the quaternary oxide is reached for x = 0.50. Compared to physical vapour deposition techniques, the undoped thin films presented here still need to make up some deficites in their optoelectronic performance. Although the best sol-gel samples are able to compete with RF sputtered samples or sampes deposited by PLD in transmittance, their resistivity is almost two orders of magnitude higher. The most probable reasons for this are the characteristic imperfections of sol-gel thin films like porosity and small crystallite size, which create barriers like grain boundaries and bottlenecks like barely connected particles. By additional effort such shortcomings can be repelled to a certain extend, but nevertheless the density of undoped sol-gel material always stays behind its pendants processed by physical vapour deposition.[246] Furthermore, such additional endeavour is likely to annihilate the advantage of sol-gel technique in processing costs. Extrinsic doping is a common method to decrease the resistivity of delafossite materials. Partially replacing the trivalent cations by divalent ones creates additional holes and thus generates additional charge carriers for p-type semiconductivity. This can improve the conductivity of delafossites by up to three orders of magnitude. Due to the compositorial flexibility of sol-gel processing, dopants could be introduced easily in this study by soluble precursors. However, improving the conductivity of CuAlO2 and CuAl0.5Cr0.5O2 via this method failed. Actually, this seems to be due to the fact that instead of being incorporated into the delafossite phase the dopant ions form intransparent phase impurities like spinels, which interfere with optical transmittance of the thin films. On the contrary, doping had a positive effect on the conductivity and the optical transmittance of copper chromium oxide, with magnesium being the most effective dopant. The resistivity could be decreased by more than three orders of magnitude, but in order to achieve this, much higher Mg concentrations than by other thin film deposition methods were necessary. This indicates a low doping efficiency in sol gel processed thin films, but also the ability of sol gel processing to incorporate more magnesium into the oxide than any other processing method. The extensive substitution of the chromium ions also increases the optical transmittance and allows sol gel processed thin films to draw level with thin films deposited by sputtering methods or PLD. Finally, the applicability of the delafossite thin films was proven by the asymmetric current voltage characteristics of heterojunctions between ITO and the delafossites. Shunting problems of the metallic contacts, on the other hand, reveal structural deficites of the delafossites, which should be the subject of further investigations. / Ausgehend von Versuchen zur Löslichkeit möglicher Ausgangsstoffe zeigt die vorliegende Studie die komplette Entwicklung einer Sol-Gel-Route für die Synthese transparenter p-halbleitfähiger Dünnschichten mit Delafossitstruktur bis hin zur Herstellung funktionstüchtiger p-n-Übergänge. Die vielseitige Solrezeptur konnte erfolgreich für mehrere Oxidzusammensetzungen abgewandelt werden, was die Synthese von CuAlO2, CuCrO2, CuMnO2, CuFeO2 und weiteren Mischoxiden ermöglichte. Obwohl einige Unterschiede im Sinterverhalten von Pulvern und Dünnschichten beobachtet werden konnten, trugen die Pulverversuche erheblich zur Aufklärung der komplizierten Phasenentwicklung während der thermischen Behandlung und auch zur Optimierung der Kalzinierungsschritte bei der Dünnschichtherstellung bei. Zwei der ternären Oxide erwiesen sich als die vielversprechendsten Kandidaten für die Anwendung als p-halbleitfähiges transparentes Oxid: Kupfer-Aluminium-Oxid aufgrund seiner hohen optischen Transparenz und Kupfer-Chrom-Oxid aufgrund seiner niedrigen Synthesetemperatur, die die Abscheidung von Dünnschichten auf kostengünstigen Borosilicatglas-Substraten ermöglicht. Um die Vorteile dieser beiden Systeme zu vereinen, wurde die quaternäre Oxidzusammensetzung CuAl1-xCrxO2 untersucht. Mit einer höheren optischen Transmission als CuCrO2, einer niedrigeren Synthesetemperatur als CuAlO2 und einem geringeren spezifischen Widerstand als die beiden Muttersysteme wird die optimale Zusammensetzung dieses quaternären Oxids bei x = 0,50 erreicht. Im Vergleich zu Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung müssen die hier vorgestellten undotierten Dünnschichten noch einige Defizite bei ihren optoelektronischen Eigenschaften aufholen. Obschon die besten Sol-Gel-Proben in puncto Transparenz mit Proben, die über Radiofrequenz-Kathodenzerstäubung oder Laserstrahlverdampfen hergestellt wurden, mithalten können, liegt ihr spezifischer Widerstand um zwei Größenordnungen höher. Die wahrscheinlichste Ursache hierfür sind die charakteristischen Unvollkommenheiten von Sol-Gel-Dünnschichten wie Porosität und geringe Kristallitgröße, die den Stromfluss durch Hindernisse wie Korngrenzen und Engpässe wie schlecht verknüpfte Partikel behindern. Durch zusätzlichen Aufwand können derartige Unzulänglichkeiten in gewissem Maße zurückgedrängt werden, doch nichtsdestotrotz liegt die Dichte von undotiertem Sol-Gel-Material immer unter der von vergleichbaren Proben, die über physikalische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden.[246] Zudem ist es wahrscheinlich, dass solche zusätzlichen Anstrengungen die Vorteile des Sol-Gel-Verfahrens bei den Herstellungskosten zunichte machen. Extrinsische Dotierung ist ein gängiger Weg, um den spezifischen Widerstand von Delafossit-Materialien abzusenken. Teilweiser Austausch der dreiwertigen Kationen durch zweiwertige erzeugt zusätzliche Löcher und stellt so zusätzliche Ladungsträger für die p-Halbleitung bereit. Dies kann die Leitfähigkeit von Delafossiten um bis zu drei Größenordnungen erhöhen. Dank der stofflichen Flexibilität des Sol-Gel-Verfahrens konnten in dieser Studie Dotanden sehr leicht in Form von löslichen Vorstufen eingebracht werden. Jedoch scheiterten die Versuche, die Leitfähigkeit von CuAlO2 und CuAl0,5Cr0,5O2 auf diesem Wege zu verbessern. Dies scheint darauf zurückzuführen zu sein, dass die Dotanden nicht in die Delafossitphase eingebaut werden, sondern intransparente Fremdphasen wie Spinelle bilden, die die optische Transmission der Dünnschichten beeinträchtigen. Im Gegensatz dazu wirkte sich die Dotierung positiv auf die Leitfähigkeit und die optische Transmission von Kupfer-Chrom-Oxid aus, wobei Magnesium als Dotant die besten Resultate lieferte. Der spezifische Widerstand konnte so um mehr als drei Größenordnungen verringert werden, doch wurden hierfür deutlich höhere Magnesiumkonzentrationen benötigt als bei anderen Beschichtungsverfahren. Einerseits weist dies auf eine geringe Dotiereffizienz in den über das Sol-Gel-Verfahren hergestellten Proben hin, andererseits zeigt dies aber auch, dass über das Sol-Gel-Verfahren wesentlich mehr Magnesium in die Oxidschichten eingebracht werden kann als über jedes andere Verfahren. Der beträchtliche Ersatz der Chromionen erhöht auch die optische Transmission und ermöglicht es den Sol-Gel-Proben, zu den Dünnschichten aufzuschließen, die durch Kathodenzerstäuben oder Laserstrahlverdampfen hergestellt wurden. Schließlich wurde das Anwendungspotential der Delafossit-Dünnschichten durch die asymmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinien von p-n-Übergängen zwischen Delafossit und Indium-Zinn-Oxid belegt. Andererseits machen die Kurzschlussprobleme bei der metallischen Kontaktierung die strukturellen Defizite der Delafossite deutlich. Dies sollte zum Gegenstand weiterführender Untersuchungen werden.

Diese Arbeit umfasst experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verständnis des Siedenverhaltens von Kältemittel R-134a an glatten und porösen Oberflächen und beschäftigt sich mit der Herausforderung der Optimierung geeigneter Oberflächenstrukturen zur Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten. Die in der Einleitung vorgestellte Anforderung an immer kompaktere Wärmeübertrager wird durch poröse Schichten, welche mittels Vakuum-Plasma-Beschichtung hergestellt werden, Rechnung getragen. Innerhalb des in der Praxis üblichen Bereichs des Siededrucks und der Wärmstromdichten werden im Vergleich zum Stand der Technik beim Sieden von R-134a am Einzelrohr und am Rohrbündel für optimierte, poröse Wärmeübertrageroberflächen deutlich verbesserte Wärmeübergangskoeffizienten nachgewiesen. Zum besseren Verständnis des gesteigerten Wärmeübergangs beim Sieden liefert diese Arbeit im Weiteren einen Einblick in die Blasenbildung an unterschiedlichen Oberflächenstrukturen mittels optischer Analyse. Detaillierte Angaben zu Grundlagen des Siedens und der Blasenbildung sowie zur verwendeten Beschichtungstechnik sind im Anhang ab Seite 185 wiedergegeben. / This work includes experiments and theoretical analyses on boiling of refrigerant R-134a on smooth and porous surfaces, and deals with the challenge of optimizing suitable surface structures to increase the heat transfer coefficient. The targets presented in the introduction with respect to increasing compact heat transfer are taken into account by different porous layers produced by means of vacuum plasma coating. Within the usual range of pressure and heat flux density the heat transfer coefficient was found to be significantly improved, compared to the state of the art for single tubes and tube bundles by means of optimized, porous heat transfer surfaces. For a better understanding of the increased heat transfer for boiling on porous surfaces, this work provides an insight into the formation of bubbles on different surfaces via optical analysis.

Hartstoffschichten ermöglichen die Verbesserung bewährter und die Entwicklung neuartiger Produkte. Bei geringstem Materialaufwand lassen sich mit solchen Schichten Wirkungen erzielen, die auf eine andere Weise nicht erreichbar wären. Dünne Hartstoffschichten bis 10 µm werden seit Jahrzehnten zum Verschleißschutz von Werkzeugen und Bauteilen eingesetzt. Der zu den PVD-Verfahren zählende Vakuumbogenprozess (Arc-PVD) wird in der Industrie in großem Umfang zur Abscheidung nitridischer Hartstoffschichten eingesetzt. Als besonders vorteilhaft sind dabei die hohe Ionenenergie im fast vollständig ionisierten Plasma, die damit verbundenen hervorragenden Schichteigenschaften (Mikrohärte, Haftung, Struktur) und die relativ unkomplizierte, robuste und flexible Anlagentechnik anzusehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein nanostrukturierte AlCr(Si)N/TiN Hartstoffsystem entwickelt, welches sich mit dem Arc-PVD-Prozess homogen in Schichtdicken größer 50 µm aufbringen lässt und damit neue Einsatzbereiche für die Hartstoffbeschichtung eröffnet. Durch das definierte Schichtdesign im Nanometermaßstab kann einerseits das Eigenspannungsniveau stark abgesenkt werden und zusätzlich wird das Wachstum von Defektstrukturen unterdrückt. Die gewonnen Erkenntnisse bei der Herstellung dicker Schichten ermöglichen auch Verbesserungen der Eigenschaften dünner Schichten bis 10 µm.

Die Aufgabenstellung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines Schichtverbundes auf Polymerfolien mit hoher Barrierewirkung und optischer Transparenz. Dieser wurde über eine Kombination von verschiedenen Einzelschichten erzeugt, deren Abscheidung aus der Gasphase oder der Flüssigphase erfolgte. Die anorganischen Beschichtungen aus SiOx wurden mittels Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD) abgeschieden. Diese lieferten einen hohen Beitrag zur Barrierewirkung, welche anhand der Sauerstoff- (OTR) sowie der Wasserdampftransmissionsrate (WVTR) bewertet wurde. Zur Flexibilisierung des Schichtverbundes wurden anorganisch-organische Hybridschichten integriert, deren Erzeugung mittels Sol-Gel-Technologie (SG) erfolgte. Diese wirkten sich im Verbund positiv auf die optischen Eigenschaften des Substrates aus, welche über UV/VIS-Spektroskopie, Ellipsometrie sowie Messung des Haze-, Clarity- und Grauwertes erfasst wurden. Die Sperrwirkung der Schichten gegenüber den Testgasen konnte über eine Anpassung der Bestandteile im zugrundeliegenden Sol maßgeblich erhöht werden. Als Alternative zu den SG-Beschichtungen wurden Zwischenschichten untersucht, deren Generierung über eine Zwillingspolymerisationsreaktion (ZP) erfolgte. Die Einbringung von Epoxiden ermöglichte in Verbindung mit einem funktionalen Zwillingsmonomer eine Kombination der ZP mit einer Polyaddition. Mit den ebenso aus der Flüssigphase applizierten Beschichtungen ließ sich jedoch keine signifikante Barrierewirkung erreichen. Allerdings zeichneten sich diese Schichten durch eine hohe optische Güte aus, weshalb diese ebenfalls in Mehrlagensysteme integriert wurden. Zum Aufbau der Kombinationsschichten dienten drei bzw. fünf Einzelschichten. Ein Dreischichtsystem bestand hierbei aus zwei CCVD-Schichten (Anfangs- und Deckschicht) sowie einer Zwischenschicht. Um ein Fünfschichtsystem zu generieren wurde eines aus drei Einzelbeschichtungen um zwei weitere ergänzt, wodurch sich eine Anordnung aus abwechselnden CCVD- und SG- bzw. ZP-Schichten ergab. Sämtliche Verbundschichten sowie Einzelkomponenten des Systems wurden zudem bezüglich deren Struktur (Profilometrie, AFM und REM) sowie Schichtzusammensetzung (Festkörper-NMR, FT-IR und XPS) untersucht.

Among the materials that can be treated in order to impart superhydrophobic properties are many originally hydrophilic metals. For this, they must undergo a sequential treatment, including roughening and hydrophobic coating. This contribution presents various preparation routes along with various characterization methods, such as dynamic contact angle (DCA) measurements, scanning electron microscopy (SEM) and spectroscopic techniques (FT–IRRAS, XPS, EIS). Micro-rough surfaces of pure and alloyed aluminum were generated most easily by using a modifie Sulfuric Acid Anodization under Intensifie conditions (SAAi). This produces a micro-mountain-like oxide morphology with peak-to-valley heights of 2 μm and sub-μm roughness components. Additionally, micro-embossed and micro-blasted surfaces were investigated. These micro-roughened initial states were chemically modifie with a solution of a hydrophobic compound, such as the reactive f uoroalkylsilane PFATES, the reactive alkyl group containing polymer POMA, or the polymer Teflo ® AF. Alternatively, the chemical modificatio was made by a Hot Filament Chemical Vapor Deposition (HFCVD) of a PTFE layer. The latter can form a considerably higher thickness than the wet-deposited coatings, without detrimental leveling effects being observed in comparison with the original micro-rough surface. The inherent and controllable morphology of the PTFE layers represents an important feature. The impacts of a standardized artificia weathering (WTH) on the wetting behavior and the surface-chemical properties were studied and discussed in terms of possible damage mechanisms. A very high stability of the superhydrophobicity was observed for the f uorinated wet-deposited PFATES and Teflo ® AF coatings as well as for some of the PTFE layer variants, all on SAAi-pretreated substrates. Very good results were also obtained for specimens produced by appropriate mechanical roughening and PTFE coating.