Ziel der vorliegenden Arbeit war die Beschreibung der mechanischen Kennwerte im Zusammenhang mit verschiedenen Schichten von Multilayer-Zirkoniumdioxidkeramiken für die frästechnische Herstellung. Untersucht wurden vier Schichten einer jeden geprüften Keramik. Die Dichte, die biaxiale Biegefestigkeit und die Vickers-Härte wurden getestet. Eine Hälfte der Proben (n=30) wurde einer künstlichen Alterung im Thermocycler (10.000 Zyklen, 5°/55°) unterzogen, während die andere Hälfte (n=30) ohne den Einfluss künstlicher Alterung geprüft wurde. Zudem wurde an jedem Material eine EDX-Analyse durchgeführt. Ermittelt wurden die mechanischen Kennwerte der Multilayer-Zirkoniumdioxidkermamiken IPS E.max ZirCAD Prime (Ivoclar Vivadent AG; Schaan, Liechtenstein), Optimill Multilayer 3D (Dentona AG; Dortmund, Deutschland) und Ceramill Zolid fx multilayer (Amann Girrbach GmbH; Koblach, Österreich). Die Dichtewerte veränderten sich bei allen drei Materialien leicht über die Schichten hinweg. Bei den IPS-Proben zeigte sich ein Zusammenhang zwischen der biaxiale Biegefestigkeit und der Schichtung. Für die Härte gab es keine eindeutigen Rückschlüsse auf einen Zusammenhang mit der Transluzenz. Die Dentona- und die Ceramill-Proben zeigten keine an- oder absteigende Tendenz der biaxialen Biegefestigkeit über die Schichten hinweg. Insgesamt zeigten sich signifikante Unterschiede zwischen den mechanischen Kennwerten der unterschiedlichen Multilayer-Zirkoniumdioxidkeramiken (p<0,001). Aus diesem Grund sollte jedes dieser Materialien individuell und mit Bedacht eingesetzt werden. / The aim of the present work was to describe the mechanical characteristics associated with different layers of multilayer zirconia ceramics for milling production. Four layers of each tested ceramic were investigated. The density, biaxial flexural strength and Vickers hardness were tested. Half of the samples (n=30) were subjected to artificial aging in a thermocycler (10,000 cycles, 5°/55°), while the other half (n=30) was tested without the influence of artificial aging. In addition, EDX analysis was performed on each material. The mechanical properties of the multilayer zirconia ceramics IPS E.max ZirCAD Prime (Ivoclar Vivadent AG; Schaan, Liechtenstein), Optimill Multilayer 3D (Dentona AG; Dortmund, Germany) and Ceramill Zolid fx multilayer (Amann Girrbach GmbH; Koblach, Austria) were determined. The density values changed slightly across the layers for all three materials. For the IPS specimens, there was a correlation between biaxial flexural strength and layering. For hardness, there was no clear inference of a relationship with translucency. The Dentona and Ceramill specimens did not indicate an increasing or decreasing trend in biaxial flexural strength across the layers. Overall, there were significant differences between the mechanical properties of the different multilayer zirconia ceramics (p<0.001). For this reason, each of these materials should be used individually and with caution.

Es wird untersucht, inwieweit das Konzept des effektiv geformten Indenters zur Bestimmung der Fließgrenze massiver Materialien unterschiedlicher Duktilität zuverlässig einsetzbar ist. Dazu werden neun verschiedene Stahlproben sowie BK7-Glas zunächst hinsichtlich ihrer Duktilität charakterisiert. Dies erfolgt anhand des dimensionslosen Parameters Elastizitätsmodul zu Fließgrenze (E/Y). Die Bestimmung des E-Moduls erfolgt mittels akustischer Oberflächenwellen. Die Fließgrenze wird durch makroskopische Druckversuche ermittelt. Anschließend wird das Konzept des effektiv geformten Indenters auf die verschiedenen Materialien angewandt und es wird verglichen, inwieweit die somit erhaltenen Werte für die Fließgrenze mit dem Referenzwert übereinstimmen.

Es wird untersucht, inwieweit das Konzept des effektiv geformten Indenters zur Bestimmung der Fließgrenze massiver Materialien unterschiedlicher Duktilität zuverlässig einsetzbar ist. Dazu werden neun verschiedene Stahlproben sowie BK7-Glas zunächst hinsichtlich ihrer Duktilität charakterisiert. Dies erfolgt anhand des dimensionslosen Parameters Elastizitätsmodul zu Fließgrenze (E/Y). Die Bestimmung des E-Moduls erfolgt mittels akustischer Oberflächenwellen. Die Fließgrenze wird durch makroskopische Druckversuche ermittelt. Anschließend wird das Konzept des effektiv geformten Indenters auf die verschiedenen Materialien angewandt und es wird verglichen, inwieweit die somit erhaltenen Werte für die Fließgrenze mit dem Referenzwert übereinstimmen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Röntgenanalysen an dünnen Schichten, die mittels reaktiver Magnetronzerstäubung hergestellt wurden, durchgeführt. Zuerst werden die theoretischen Grundlagen der Röntgenanalyse und der Herstellungsmethode behandelt. Es folgen Experimente an auf Chrom- und auf Zirkonium-basierenden Oxinitridschichten. Die strukturelle Charakterisierung der Schichten mittels Röntgendiffraktometrie und -reflektometrie wird vorgestellt. Die Messungen der Schichtstöchiometrie und Beschichtungsrate werden ebenfalss dargestellt. Anschliessend kommt eine Diskussion. Die Zusammenhänge zwischen den Herstellungsbedingungen und den beobachteten strukturen werden erläutert. Ein Modell zur reaktiven magnetronzerstäubung wird für den Fall der Kontrolle mit Flüssen angewandt. / This work deals with X-ray analysis of thin films, The films were obtained with magnetron sputtering PVD method. The theoretical basis of the X-ray analysis and of the deposition method are presented. Experiments on chromiumoxinitride and zirconiumoxinitride are then presented. X-ray analysis consists in diffratometrie and reflectometrie. The composition of the coatings and the deposition rate are also presented. The relation between the deposition parameters and the observed structures is then discussed.

CAD/CAM-Komposite bestehen aus einer organischen Polymermatrix, anorganischen Füllern, einem Silan zur Verbindung beider Bestandteile und Nebenbestandteilen. Chemische Zusammensetzung der anorganischen Phase, Füllergröße, Füllerform und Füllerverteilung beeinflussen die Werkstoffeigenschaften und sind bei direkten Kompositen gut untersucht, während die Herstellerangaben über die anorganische Phase der CAD/CAM-Komposite unvollständig erscheinen und nicht zwischen den angebotenen Transluzenzvarianten differenzieren. Im Unterschied zu den langjährig eingesetzten Keramiken sind CAD/CAM-Komposite „junge“ Werkstoffe in der restaurativen Zahnheilkunde und der zahnärztlichen Prothetik, weisen jedoch einige werkstofftechnische Vorteile auf. Sprödigkeit, Härte und E-Modul liegen näher an denen von Dentin und Schmelz. Die Attrition der Antagonisten prothetischer Versorgungen aus CAD/CAM-Kompositen ist gegenüber Keramiken herabgesetzt. Erste klinische Untersuchungen zeigen zufriedenstellende Überlebensraten entsprechender Restaurationen. Ziel dieser Arbeit war es, die anorganische Phase unterschiedlicher CAD/CAM-Komposite hinsichtlich Größe, Morphologie, chemischer Zusammensetzung, Phasenbestand der Füller sowie Homogenität und Fülleranteil unter Berücksichtigung unterschiedlicher Transluzenzvarianten zu charakterisieren. In einem zweiten Teil wurde der Einfluss der Einlagerung von CAD/CAM-Kompositen in demineralisiertem Wasser, 75%iger Ethanol-Lösung und Pepsi-Cola auf die ausgewählte Werkstoffeigenschaft Vickers-Härte untersucht sowie in Bezug auf die Werkstoffzusammensetzung diskutiert. Ferner wurden die Veränderung der Oberflächenrauigkeit nach Einlagerung und die freie Oberflächenenergie der CAD/CAM-Komposite bestimmt. Sieben kommerziell erhältliche CAD/CAM-Komposite (BRILLIANT Crios, CerasmartTM, LavaTM Ultimate, Shofu Block HC, Tetric® CAD, Grandio® blocs, LuxaCAM Composite) wurden in der Farbe A2 und mit Ausnahme von LuxaCam Composite in den zwei jeweils erhältlichen Transluzenzstufen (HT und LT bzw. MT) untersucht. Zur Füllercharakterisierung wurden eine thermogravimetrische Analyse an zylindrischen Proben (d/h = 4/1 mm), Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) an rechteckigen Proben (Dicke = 3 mm), Röntgendiffraktometrie (XRD) an rechteckigen Proben (Dicke = 3 mm) und Mikro-Röntgen-Computertomographie (µXCT) an zylindrischen Proben (d/h = 1,20/1,77 mm) durchgeführt. Die anorganische Fraktion der CAD/CAM-Komposite zeigte viele voneinander getrennte Füllkörper unterschiedlicher Größe, Form und Sphärizität. Die Füllkörpergröße lag zwischen ~100 nm und 12 µm und war für alle Werkstoffe damit deutlich größer als in den Herstellerspezifikationen angegeben. Nach der Klassifikation von Ferracane handelte es sich somit um „midifill-hybrid“-Komposite. Während in Shofu Block HC die größten und sphärischsten Füllkörper auftraten, waren diejenigen der anderen Komposite kleiner, eher scharfkantig und von geringerer Sphärizität. An den Randbereichen der Füllkörper in LavaTM Ultimate zeigten sich poröse Areale. Diese waren wahrscheinlich durch kleine Nanopartikel, die an der Oberfläche der größeren Partikel anheften, bedingt. Der Füllkörperanteil lag zwischen 37,2 Vol.-% / 61,6 M.-% und 74,4 Vol.-% / 83,1 M.-%., wobei keine eindeutigen Unterschiede zwischen den Transluzenzvarianten eines CAD/CAM-Komposits dokumentiert werden konnten. Auch hier lagen die gemessenen Werte unter den Herstellerspezifikationen, aber über den Werten für direkte Komposite. Chemisch bestanden die untersuchten Füllkörper in allen Kompositen aus Silizium und Sauerstoff, während Aluminium und Barium nur in bestimmten Proben nachgewiesen werden konnten. In LAVATM Ultimate und Shofu Bloc HC trat zusätzlich Zirkonium auf. Die Füller erschienen weitgehend amorph; nur in LAVATM Ultimate konnte eine deutliche kristalline Phase dokumentiert werden. Es ergaben sich keine wesentlichen Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der untersuchten Füllkörper zwischen den Transluzenzvarianten eines CAD/CAM-Komposits. µXCT zeigte in einzelnen CAD/CAM-Kompositen (LavaTM Ultimate, Tetric® CAD, CerasmartTM, BRILLIANT Crios, Grandio® blocs) Inhomogenitäten, die als Fülleragglomerate oder Poren interpretiert werden konnten. Diese Inhomogenitäten traten im Größenbereich von 1,4 x 104 µm3 (Tetric® CAD, HT; Pore) bis 1,6 x 106 µm3 (LAVATM Ultimate, HT; Fülleragglomerat) auf und machten damit gemessen am jeweiligen Gesamtvolumen der untersuchten Proben einen Volumenanteil von unter 0,01 % aus. Für die Untersuchung der Werkstoffeigenschaften wurden 104 rechteckige Probekörper (Dicke = 3 mm) vorbereitet, poliert und in vier Gruppen eingeteilt: trockene Lagerung für 24 Stunden bei Raumtemperatur (Gruppe 1), Lagerung in demineralisiertem Wasser bei 37 °C (Gruppe 2), Lagerung in 75%iger Ethanol-Lösung bei 37 °C (Gruppe 3), Lagerung in Pepsi-Cola bei 37 °C (Gruppe 4). In der ersten Gruppe wurden Vickers-Härte und Oberflächenrauigkeit nach 24 h bestimmt, in den anderen 3 Gruppen erfolgte die Messung der Vickers-Härte nach 7 und 28 Tagen und die Messung der Oberflächenrauigkeit nach 28 Tagen. Für die Messung der Vickers-Härte wurden für jedes Material und für jede Zeit 15 Einzelmessungen durchgeführt. Die Messung der freien Oberflächenenergie erfolgte für alle Werkstoffe über Kontaktwinkelmessungen unter Nutzung von gereinigtem Wasser und Diiodmethan. Dabei wurden jeweils 8 Einzelmessungen für jede Flüssigkeit durchgeführt. Die untersuchten CAD/CAM-Komposite unterschieden sich deutlich in der Vickers-Härte (79,0 (1,9) – 152,2 (4,2) HV) und der freien Oberflächenenergie (dispersiv: 28,3 (3,5) – 37,0 (1,8) mN/m; polar: 13,8 (1,1) – 24,2 (6,4) mN/m). Dabei konnte eine Korrelation zwischen Vickers-Härte und Fülleranteil - nicht jedoch zwischen der freien Oberflächenenergie und Fülleranteil - statistisch nachgewiesen werden. Zwischen den Transluzenzvarianten eines CAD/CAM-Komposits unterschieden sich bis auf die Härtewerte von BRILLIANT Crios die gemessenen Werte nicht signifikant. Durch die Einlagerung in den unterschiedlichen Medien wurde die Vickers-Härte in Abhängigkeit von Einlagerungsmedium, Einlagerungsdauer und Art des CAD/CAM-Komposits unterschiedlich stark reduziert. Grandio® Blocs zeigte die höchste Vickers-Härte von 148,8 (2,9) HV für HT bzw. 152,2 (4,2) HV für LT und wies nur geringe oder keine Härteveränderungen nach Einlagerung in die Flüssigkeiten auf. Die initiale Härte von LavaTM Ultimate betrug 114,3 (2,6) HV für HT und 114,8 (3,4) HV für LT und reduzierte sich um 10 - 20 % nach Einlagerung. Die Härtewerte der anderen Komposite lagen im Bereich von 79 (1,9) HV bis 102,4 (5,2) HV und reduzierten sich um bis zu 35 % nach Einlagerung. Die Härteabnahme der Komposite war bei höherem Fülleranteil geringer. Bei Grandio® Blocs trat die größte Härteabnahme im Unterschied zu allen anderen Kompositen durch die Lagerung in Wasser auf. Bei BRILLIANT Crios, CerasmartTM, Shofu Blocs HC, Tetric® CAD und LuxaCAM Composite führte die Lagerung in der 75%igen Ethanol-Lösung zu einer signifikant größeren Härtereduktion im Vergleich zur Lagerung in Wasser und Pepsi-Cola. Die Lagerung in Pepsi-Cola hatte keine zusätzliche Härteabnahme im Vergleich zur Lagerung in Wasser oder in der 75%igen Ethanol-Lösung zur Folge. Nur bei LAVATM Ultimate und CerasmartTM konnte statistisch die Dauer der Einlagerung als signifikanter Faktor der Härteabnahme nachgewiesen werden. Nach 28 Tagen zeigte sich eine Veränderung in der Oberflächenrauigkeit mit einem maximalen ∆Sa = 0,015 (0,003) µm bei BRILLIANT Crios LT und ∆Sa = 0,010 (0,002) µm bei LavaTM Ultimate HT nach einer Lagerung in Wasser. Bei allen anderen Kompositen trat ein ∆Sa < 0,005 µm auf. Zusammenfassend waren die untersuchten CAD/CAM-Komposite weitgehend homogene Werkstoffe, deren anorganische Phasen sich zwischen den Herstellern, aber nicht zwischen deren Transluzenzstufen unterschieden. Die festgestellten Füllkörpergrößen überstiegen die der Herstellerangaben; sie sind als „midifill-hybrid“-Komposite zu klassifizieren. Mit Ausnahme der in LavaTM Ultimate festgestellten Zirkonium-Kristalle geringer Kristallinität zeigten die untersuchten CAD/CAM-Komposite eine amorphe anorganische Phase. Die Härte und die freie Oberflächenenergie unterschieden sich zwischen den CAD/CAM-Kompositen, mit der Ausnahme der Vickers-Härte von BRILLIANT Crios aber nicht zwischen den Transluzenzvarianten. Infolge der Einlagerung der Materialien in demineralisiertem Wasser, 75%iger Ethanol-Lösung und Pepsi-Cola kam es mit der Ausnahme von Grandio® Blocs zu einer deutlichen Reduktion der Vickers-Härte. Die Lagerung in Pepsi-Cola hatte keine zusätzliche Härtereduktion im Vergleich zur Lagerung in Wasser oder 75%iger Ethanol-Lösung zur Folge. Da die Härteabnahme der Komposite bei höherem Fülleranteil geringer war, scheint der Degradationsprozess primär durch die organische Matrix bedingt zu sein. Es bestand eine Korrelation zwischen Fülleranteil und Härte der Komposite, nicht jedoch zwischen Fülleranteil und der freien Oberflächenenergie. Die Veränderung der Oberflächenrauigkeit nach künstlicher Alterung lag unterhalb von Bereichen klinischer Relevanz bezüglich der Begünstigung einer Biofilmakkumulation auf der Materialoberfläche.:1 Einführung 2 Publikationsmanuskripte 2.1 Publikationsübersicht 2.2 Publikation I 2.3 Publikation II 3 Zusammenfassung der Arbeit 4 Literaturverzeichnis 5 Anlagen

Innerhalb der Arbeit wurden mit Hilfe eines DC-Glimmplasmas im Vakuumbereich zwischen 100 und 400 Pa auf kathodisch geschalteten, metallischen Substraten mittels silicium- und bororganischen Verbindungen Schichten abgeschieden. Unter den gewählten Bedingungen war eine Abscheidung von amorphen Hartstoffschichten bei niedriger Substrattemperatur (ca. 200–450 °C), geringem apparativen Aufwand und hohen Abscheideraten (bis zu 2.5 µm min-1) möglich. Anhand der Abscheidung mit Hexamethyldisilazan (HMDSN) und unterschiedlichen Arbeitsgasen (Wasserstoff, Argon, Stickstoff, Ammoniak, Sauerstoff, bzw. ohne Arbeitsgas) wurde der grundlegende Einfluss der Beschichtungsparameter (Plasmaleistung, Prozessdruck, Precursorfluss und Substratgröße) auf unterschiedliche Schichteigenschaften (Mikrostruktur, Ele-mentgehalt, optische und mechanische Eigenschaften) sowie auf die Abscheiderate untersucht und diskutiert. Zudem wurde das Abscheideverhalten von zwei weiteren siliciumorganischen, zwei borsiliciumorganischen und einer bororganischen Verbindung untersucht. Um Aussagen zum Wachstumsmechanismus treffen zu können, wurden mit Hilfe der differentiell gepumpten Massenspektroskopie quantitative Untersuchungen an den Reaktionsprodukten durchgeführt. Weiterhin wurde ein Beitrag zur Anwendung der IR-Spektroskopie in Reflexion zur Charakterisierung der auf nichttransparenten Substraten abgeschiedenen Schichten geleistet. Mittels einer numerischen Simulation der Spektren konnte die Schichtdicke, die Brechzahl sowie das Spektrum der Absorptionskonstante zur quantitativen, strukturellen Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten ermittelt werden.

Den technologischen Hintergrund für diese Arbeit liefert die bei der Erschließung tiefer Lagerstätten (Erdgas, Erdöl, Erdwärme) eingesetzte Stimulationstechnik des Hydraulic Fracturing. Bei dieser Technik werden mittels hydraulischem Druck Risse im Lagerstättengestein erzeugt, die durch Einspülen von Feststoffkörnern (Proppants) offengehalten werden sollen. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt auf der theoretischen und experimentellen Untersuchung der Einbettung von Proppants in das Lagerstättengestein unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses auf die hydraulische Leitfähigkeit eines durch Proppants gestützten Risses. Thematisch teilt sich die Arbeit in die beiden Schwerpunkte: (1) Berechnung der Proppant-Einbettung auf der Grundlage kontaktmechanischer Ansätze und (2) experimentelle Untersuchungen an realen Proppant-Schüttungen. Zur mathematischen Formulierung der Proppant-Einbettung wurde die in der Werkstofftechnik entwickelte Theorie des mechanischen Verhaltens rauer Oberflächen unter Lasteintrag (Kontaktmechanik) mit der ebenfalls aus der Werkstofftechnik bekannten Messung und Interpretation der Oberflächenhärte nach Meyer gekoppelt. Diese neuartige Formulierung ermöglicht es, die Einbettung von Proppants in Abhängigkeit der Materialeigenschaften der Formation, des Spannungszustandes, der Korngrößenverteilung und der Proppants-Konzentration zu berechnen. Zur Prognose des Erfolges einer Stimulation wurde ein 2D-numerischer Algorithmus (MATLAB®) entwickelt, der den Gesamtprozess der Einbettung, der Durchlässigkeitsentwicklung und deren Folgen für die Produktivität der Sonden widerspiegelt. Zur Verifizierung des Berechnungsalgorithmus wurde die Einbettung realer Proppant-Schüttungen in Lagerstättengesteinen (Tonschiefer, Shale) untersucht. Hierfür wurde in einer dafür konzipierten Flutzelle ein durch Proppants gestützter Riss nachgebildet, belastet und durchströmt. Ziel der Versuche war dabei zu messen, welchen Einfluss ein Spannungsanstieg auf die Einbettung und damit auf die hydraulische Leitfähigkeit hat. Diese Versuche wurden an zwei verschiedenen Shale-Gesteinen mit zwei verschiedenen Proppant-Konzentrationen durchgeführt. Zusätzlich zu den hydraulischen Experimenten wurden mechanische Untersuchungen (Härtemessungen) ausgeführt und nach der Meyer-Analyse der Werkstofftechnik interpretiert. Ein besonderer Vorteil dieser Auswertungsmethode liegt in ihrer durch Dimensionsanalyse erzielten Übertragbarkeit der Ergebnisse von Werkstoffen auf Gesteine. Der Vergleich von gemessenen und berechneten Einbettungen und hydraulischen Leitfähigkeiten ergab eine zufriedenstellende Übereinstimmung und erlaubt es festzustellen, dass mit der neuen Formulierung die planerische Voraussage von Frac-Stimulation möglich ist, wobei alleine die relativ einfachen laborativen Messverfahren zur Härtemessung (Gestein) und zur Korngrößenanalyse (Proppant) erforderlich sind.

Die Oberflächen-stoßinduzierte Fragmentierung von reinen und gemischten Antimonclustern wurde im Bereich hyperthermischer Kollisionsenergien untersucht. In diesem Energiebereich sind die Prozesse des Ladungstransfers, des Energietransfers sowie der Fragmentierung der Cluster besonders wichtig. Die Cluster wurden in einer gepulsten Bogenentladungsquelle erzeugt und nach Massenselektion in einem Flugzeit-Massenspektrometer mit sechs verschiedenen Oberflächen (Diamant, Siliziumdioxid, Antimon(III)oxid, Gold, Graphit und einer fluorierten organischen Monolagenoberfläche (C10-F-SAM)) unter Ultrahochvakuumbedingungen zur Wechselwirkung gebracht. Die daraus hervorgehenden ionischen Produkte wurden in einem zweiten Flugzeit-Massenspektrometer analysiert. Der Ladungstransfer zwischen Projektilion und Oberfläche zeigte deutliche Unterschiede in Abhängigkeit von der Oberfläche. Dieser Effekt wurde anhand der Gesamtfragmentionenausbeute studiert und kann gut durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten beschrieben werden. Die Effektivität der Oberflächen hinsichtlich des Transfers von kinetischer in innere Energie der auftreffenden Cluster ließ sich aus den Massenspektren der Fragmentionen bestimmen. Diese konnten aufgrund der bekannten Bindungsenergien der Antimon-Cluster mittels der Thermometermolekülmethode ausgewertet werden. Es wurde eine für alle Clustergrößen charakteristische Korrelation zwischen Energietransfereffektivität und Oberfläche festgestellt. Von allen untersuchten Oberflächen zeigt die F-SAM-Oberfläche den geringsten Energieübertrag. Der höchste Energieübertrag wird bei der Streuung an der Diamantoberfläche gemessen. Die Energieübertragseffektivität der anderen Oberflächen reiht sich zwischen diesen beiden Extremen ein. Diese Korrelation konnte sowohl mit makroskopischen (Härte) als auch mit mikroskopischen (Bindungsenergie, interatomare Abstände und Debye-Temperatur) Eigenschaften der zugehörigen Festkörper erklärt werden. / Surface-induced fragmentation of pure and mixed antimony clusters was investigated within the hyperthermal collision energy range. Charge transfer, energy transfer and fragmentation of the clusters are important processes in this range. Clusters were produced in a pulsed arc-discharge cluster ion source (PACIS) and mass-selected in a time-of-flight mass spectrometer. In a next step, the clusters were brought into interaction with six different surfaces (diamond, silicon dioxide, antimony(III)oxide, gold, graphite and a self-assembled organic mono-layer surface (C10-F-SAM)) under ultra-high vacuum conditions. The emerging product ions were analysed in a second time-of-flight mass spectrometer. A notable difference between the six surfaces was found with respect to the charge transfer between projectile ion and surface. This effect was analysed in considering the total fragment ion yield and can be attributed to the different work functions of these surfaces. The transfer from translational energy into vibrational modes of the impinging clusters has been determined from the mass spectra of the fragment ions as a function of the surface. The known binding energies of the antimony clusters allow the use of the thermometer molecule model to evaluate the fragment ion distribution. A correlation between the energy transfer efficiency and the type of surface was found which is valid for all cluster sizes. From all the surfaces, which have been investigated, the F-SAM surface shows the lowest and the diamond surface shows the highest energy transfer efficiency. The efficiency of the other surfaces falls in-between these two extremes. The correlation between the energy transfer efficiency of a surface and the kind of surface can be satisfactorily explained in terms of either macroscopic (hardness) or microscopic (binding energy, interatomic distances and Debye-temperature) properties of the solids.

Nanoindentations-Messungen haben in den letzten Jahrzehnten als Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften dünner Schichten stark an Bedeutung gewonnen. Für die Gewinnung eines tiefergreifenden Verständnisses des mechanischen Verhaltens dieser Schichten ist die Kenntnis des Elastizitätsmoduls und der Fließgrenze von essentieller Bedeutung – nicht zuletzt, da diese auch als Eingabeparameter für Simulationen des Materialverhaltens gefordert sind. Eine noch nicht im Detail verstandene Forschungsfrage bei der Kennwertermittlung ist die Berücksichtigung des Dünnschichtcharakters der Proben, deretwegen diese Untersuchungen im Wesentlichen immer noch einen Grundlagencharakter tragen und derzeit Gegenstand intensiver weltweiter Forschung sind. Auswege für eine solche Berücksichtigung existieren bisher nur für wenige Anwendungsfälle. Das Konzept des effektiven Indenters stellt eine Erweiterung der Auswerteansätze und damit neue Möglichkeit für die mechanische Charakterisierung der Dünnschichteigenschaften dar. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit dieses Konzept zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls dünner Schichten geeignet ist. Ebenso werden die Untersuchungen auf die Fließgrenze ausgeweitet. Beispielhaft kommen unterschiedliche Schichtmaterialien zum Einsatz, mit denen der Unterschied zwischen den Schicht-Substrat-Eigenschaften – Elastizitätsmodul und Fließgrenze – variiert werden kann. Durch Vergleich der für die BERKOVICH-Eindrücke erhaltenen Ergebnisse zu den mittels der Kugeleindrucksversuche bestimmten Werte – als etabliertes Messverfahren – wird festgestellt, dass o. g. Konzept prinzipiell für die oben angeführten Fragestellungen geeignet ist, insofern die erreichten Eindringtiefen im Vergleich zur Schichtdicke relativ gering sind. Physikalische Ursachen für dieses Verhalten werden vorgeschlagen und diskutiert. Ebenso wird eine spezielle Vorgehensweise des Konzepts des effektiven Indenters für die Charakterisierung von porösen sowie nichtporösen Low-k-Schichtmaterialien untersucht. Zusätzlich werden Finite-Elemente-Simulationen für grundlegende Betrachtungen zur Wirkungsweise des o. g. Konzepts anhand von massiven Proben herangezogen. / Considerable research effort has focused on measuring the mechanical properties of thin films via nanoindentation. To characterize the mechanical behavior of thin films, accurate determination of Young’s modulus and yield strength is required. For the purpose of modeling and dimensioning, these quantities serve as input parameters as well. An existing major challenge in the context of (nanoindentation) data analysis is the complete consideration of the layered structure of the specimen. In the literature, a few experimental and theoretical-based approaches have been developed to extract actual film properties. However, those approaches are only applicable under specific conditions and, hence, the problem is not satisfyingly solved to date. Therewith, investigations of accurately assessing mechanical properties of thin films, in general, or Young’s modulus and yield strength, in detail, are still part of ongoing research in the field of mechanical testing in materials research and development. The concept of the “effective indenter” is an extension of the current and established analysis of nanoindentation data and is a new possibility to determine mechanical properties of thin films. In this work, an investigation is given concerning the suitability of the model, in a specific approximation, for determining Young’s modulus of thin films. In a second step, the investigations are focused on the determination of yield strength. Film/substrate composites having a varying ratio of modulus and yield strength between film and substrate are chosen; BERKOVICH indentations are analyzed and spherical indentation experiments are used as second and independent technique. It is shown that the model is suitable to deliver Young’s modulus of thin films. However, a critical ratio of indentation depth to film thickness is identified; for ratios above this critical value, the model, in the present approximation, can no longer be used. Physical mechanisms that explain this finding are suggested and discussed. Moreover, the above-mentioned model is used to characterize the very specific class of materials of non-porous and porous low-k dielectric thin films in terms of yield strength and Young’s modulus. Finally, finite element modeling is used to study critical issues in applying the model of the “effective indenter” and its specific approximation used here for analysis of nanoindentation data for bulk materials.

Die Nanoindentation ist ein inzwischen etabliertes Verfahren zur Bestimmung der Materialkennwerte Härte und Elastizitätsmodul in kleinen Größendimensionen. Eine zusätzliche Bestimmung der Fließspannung aus solchen Nanoindentationsexperimenten würde deren Einsatzmöglichkeiten deutlich erweitern und zum Beispiel für die Bauteilauslegung kleiner Strukturen, Schichtcharakterisierung und die Beschaffung von Simulationseingangsdaten einen großen Fortschritt bedeuten. Diese Gründe machen das Thema zu einem aktuellen Forschungsgegenstand. In der vorliegenden Arbeit steht deswegen die Bewertung von Fließspannungsbestimmungsverfahren für Massivmaterialien in der Nanoindentation mittels einer Kombination aus Finite-Elemente-Simulationen und umfangreichen Experimentaldaten im Zentrum. Im Speziellen wird dabei das Konzept des effektiv geformten Indenters mit dem erweiterten Hertzschen Ansatz und dessen Anwendung zur Fließspannungsbestimmung aus Eindringversuchen mit selbstähnlichen Berkovichpyramiden betrachtet. Zur Bearbeitung dieser Aufgabenstellung wurden unter anderem drei Referenzverfahren zur Fließspannungsbestimmung (die Expanding cavity-Modelle, das Loading partial unloading-Verfahren und Minidruckversuche) ausführlich charakterisiert. Damit konnten dann im Weiteren belastbare Referenzfließspannungen für die umfangreiche Experimentaldatenbasis zur Verfügung gestellt werden. Außerdem wurden die untersuchten Materialien auf den Einfluss der Größenabhängigkeit der Fließspannungen, den Indentation size effect, hin untersucht. Dabei wurden die vorliegenden physikalischen Vorgänge in den Proben beschrieben, dahingehende Unterschiede bei den betrachteten Referenzverfahren charakterisiert und den Fließspannungswerten die Fließzonendimensionen zugeordnet. Mit den damit zur Verfügung stehenden Informationen konnte das Konzept des effektiv geformten Indenters in seiner Anwendung zur Fließspannungsbestimmung grundlegend bewertet werden. Alle Untersuchungen wurden dabei stets parallel mit Hilfe von Simulations- und Experimentaldaten durchgeführt, um tiefere Einblicke in die zu Grunde liegende Mechanik der Fließprozesse zu gewinnen.