Interfacial properties of Lithium-Sulfur battery anodes in presence of additives. - Ilmenau. - 105 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Der Einfluss von Additiven und Salzkonzentration auf das solid electrolyte interface (SEI) der Lithium Metall Anode wurde untersucht. Die Charakterisierung wurde mittels galvanostatischer Zyklierung (GSC), symmetrischer elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und Röntgen-Photoelektronen Spektroskopie (XPS) durchgeführt. Erhaltene Ergebnisse der galvanostatischen Zyklierung, SEI Zusammensetzung und elektrochemische Parameter wurden erfolgreich kombiniert um chemische Änderungen in der Zusammensetzung der SEI zu korrelieren. Es wurde gezeigt, dass die Verteilung von SEI Schichtkomponenten und LiS Zell Leistungsdaten abhängig sind von LiTFSI Konzentration, der Anwesenheit von Lithium Nitrat (LiNO$_3$), Butyl-methyl-pyrrolidinium Trifluorosulforylimid ([BMP][TFSI]) und Lithium Polysulfiden. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die Kombination von LiNO$_3$, Polysulfiden und höherer Salzkonzentration die Coulombische Effizienz, zusätzlich zur Zyklen-Lebensdauer signifikant erhöhen kann. Die entwickelte Methode kann als systematischer Ansatz zur Evaluierung von LiS Zellkomponenten und Zyklen-Leistung eingesetzt werden um eine effiziente Iteration von LiS Zellchemie zu ermöglichen.
Entwicklung und Fabrikation einer dehnbaren, mehrlagigen aktiven Matrix mikroelektronischer Bauelemente. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In vielen Anwendungsbereichen stößt die heutzutage weit verbreitete Elektronik, basierend auf dem starren Silizium und den festen Leiterplattenwerkstoffen, an ihre Grenzen. So ist es nicht möglich, dass solche elektronischen Schaltungen beliebige geometrische Formen anzunehmen oder gar die Gestalt mit der Zeit verändern. Dehnung, Stauchung oder Torsion führen unweigerlich zum Bruch. Dehnbare Substrate eröffnen nun neue Einsatzfelder fernab der konventionell steifen Materialien. Um komplexe Schaltungsdesigns zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit am Beispiel einer aktiven Matrix ein mehrlagiges System entwickelt. Unter Verwendung eines fotostrukturierbaren Polyimids für die Isolierschicht zwischen den Leiterbahnen kann gezeigt werden, dass eine funktionsfähige, mehrlagige, dehnbare Schaltung realisierbar ist. Die Strukturen mitsamt der 350 [my]m &hahog; 500 [my]m &hahog; 10 [my]m (B &hahog; L &hahog; H) großen Durchkontaktierungen zwischen den Verdrahtungsebenen sind auch bei einer uniaxialen Dehnung von 94 % noch intakt. Für die Durchkontaktierungen ergibt sich momentan für den Prozess eine minimale Abmessung von 200 [my]m &hahog; 275 [my]m &hahog; 10 [my]m. Hierbei ist eine Dehnung von 59 % erreichbar. Die Platzierung innerhalb eines durch Verstärkungsbalken von hoher mechanischer Spannung geschützten Bereiches ist zu bevorzugen. Aus den Belastungstests lässt sich schließen, dass die gefertigte, mehrlagige Schaltung für viele neue Anwendungen zur Verfügung steht.
Experimentelle Charakterisierung und Vergleich zwischen Flexual-Plate-Wave Sensoren und piezobasierter mechanischer Erregung zur Biomassedetektion. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die Bioprozessanalytik und speziell die Automatisierung solcher Prozesse nehmen einen immergrößer werdenden Stellenwert in der Forschung ein. Dabei sind gerade zerstörungsfreie Biomassesensoren von Vorteil, da sie nicht-invasiv arbeiten. Biomassesensoren lassen sich je nach Transducer in verschiedene Kategorien unterteilen: elektrochemische, optische oder piezoelektrische Biosensoren. Die vorliegende Masterarbeit hat das Ziel einen Flexural-Plate-Wave (FPW) Sensor und einen auf piezoelektrisch-mechanischer Erregung basierenden Sensor auf ihre Anwendbarkeit hin als Biomassesensor zu untersuchen. Bei Flexural-Plate-Wave Sensoren erfolgt die Anregung piezoelektrisch. Die Wellen wandern entlang einer flexiblen Membran. Die Wellen werden hierbei nicht durch die Flüssigkeit gedämpft, wie es bei einem SAW-Sensor der Fall ist, und ermöglicht somit den Einsatz in flüssiger Umgebung. Der zweite untersuchte Sensor untersucht die Federsteifigkeit eines Scaffolds. Es wurde untersucht, ob Steifigkeitsunterschiede von Scaffolds (ein strukturelles Gerüst, welches den Zellen als Wachstumshilfe dient) unterschiedlicher Materialzusammensetzungen mit dem Sensorkonzept erfasst werden können und ermittelte Kennwerte reproduzierbar angewendet werden können. Für ein neues Sensorkonzept zur Steifigkeitsbestimmung wurde die Infrastruktur von zwei neuen Messsystemen (Basalt Must und ein piezobasierter Prototyp) genutzt. Mit deren Hilfe konnte das viskoelastische Verhalten der verschiedenen Scaffolds aufgezeigt sowie Steifigkeitsänderungen innerhalb der untersuchten Materialien ermittelt werden. Dabei zeigten sich gut detektierbare Unterschiede zwischen den einzelnen Materialkompositionen als auch in Flüssigkeit aufgequollenen Scaffolds. Mit den Erkenntnissen und Kennwerten wird ein Konzept für die Sensorminiaturisierung gezeigt, dass im finalen System der automatischen Zellkultivierung als Biomassesensor Anwendung finden kann. Eine Kombination aus FPW und dem piezobasierten System ermöglicht sowohl die Überwachung des gesamten Scaffolds, als auch die gezielte Überwachung kritischer Randbereiche.
Tribologische Analyse von Ventiltriebskomponenten. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Diese Masterarbeit befasst sich mit dem Verschleiß einer Rastkontur mit Kugel-Feder-Mechanismus unter hohen Hertzschen Pressungen als Bestandteil von verschiebbaren Nockenstücken für Zylinderabschaltungen. Es wurden verschiedene Werkstoffe für Rastkontur und Kugel mit Hinblick auf Verschleiß und Reibwert auf einem speziellen Tribometer geprüft, welches praxisnahe Anzahlen von Schaltzyklen innerhalb einiger Stunden realisiert. Neben Werkstoffen wurden auch Beschichtungen sowie Beölungszustände getestet. Ziel war es, die Verschleißmechanismen dieses Kontaktes zu identifizieren sowie eventuelles Optimierungspotenzial aufzuzeigen. Als Rastzahn-Material wurden 100Cr6, 42CrMoS4 sowie nitrierte 42CrMoS4 und 51CrV4 verwendet. Kugelmaterialien waren 100Cr6, Si3N4 und DLC-beschichteter 100Cr6. Ferner wurden zwei verschiedene Festschmierstoff-Varianten geprüft. Es hat sich gezeigt, dass die Ölmenge maßgeblich für die Art des vorherrschenden Verschleißmechanismus verantwortlich ist. Bei Ölbad-Schmierung dominiert Oberflächenzerrüttung bei geringem Verschleiß. Wird die Ölmenge reduziert, nehmen Abrasion und Adhäsion zu. Verschleiß und Reibwert steigen folglich an. Siliziumnitrid-Kugeln zeigen bei Mangelschmierung tendenziell verhältnismäßig hohen Verschleiß bei vergleichsweise geringen Reibwerten auf. Die Verschleißraten bei Versuchsende sind dabei stets sehr gering. DLC-beschichtete Kugeln haben trotz Mangelschmierung durchgängig sehr geringen Verschleiß bei minimalen Reibwerten und sind mit Schmierungsbedingungen im Ölbad vergleichbar. Nitrierte Nockenstücke erzielten dagegen sehr hohe Verschleißwerte. Die Verbindungsschicht hält der Belastung nicht Stand. Bei Versuchen mit Festschmierstoffen konnte eine leichte Verschleißreduzierung nachgewiesen werden.
Design und Optimierung eines Flexural-Plate-Wave-Sensors (FPW) für die Biomassedetektion in automatischen Zellkultivierungssystemen. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das Projekt SACCA (System for Automated Cell Cultivation and Analysis) umfasst ein System für automatisierte Zellkultivierung und Analyse. Biomassesensoren sollen dabei das Zellwachstum innerhalb der Zellkammern überwachen. Ein Flexural-Plate-Wave-Sensor (FPW-Sensor) arbeitet mit sogenannten Lambwellen, die auf einer piezoelektrischen Membran gesendet und empfangen werden. Er funktioniert in flüssiger Umgebung besonders gut und reagiert durch die hohe Eindringtiefe der Lambwellen empfindlich auf Veränderungen innerhalb der Zellkammer. In der vorliegenden Masterarbeit erfolgten Design und Optimierung eines solchen FPW-Sensors. Anhand der numerischen Simulationen konnte die Eindringtiefe der Lambwellen in die Flüssigkeit auf 65 [my]m optimiert werden, was im Vergleich zum ersten Entwurf eine Steigerung um 400 % ausmacht. Durch eine Membrandicke von insgesamt 19 [my]m wurde außerdem die Gefahr des Zerbrechens aufgrund äußerer Erschütterungen verringert. Eine neuartige Elektrodenstruktur zeigte in der Simulation deutlich messbare Spannungsunterschiede für unterschiedliche Belastungen. Es zeigte sich aber auch, dass ein einzelner Sensor nicht die gesamte Zellkammer überwachen kann. Es empfiehlt sich daher ein kombiniertes System aus zwei Piezoaktoren und drei FPW-Sensoren zu verwenden.
ALD von Al2O3 auf Graphen für Hochfrequenztransistoren. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Im Rahmen dieser Arbeit werden die elektrischen Eigenschaften von MOS-Strukturen untersucht. Zur Herstellung der Proben wurden vier verschiedene Substrate (Si(111), 4H-SiC, 6H-SiC und Graphen/6H-SiC) verwendet. Als Isolator diente Aluminiumoxid, das mit zwei unterschiedlichen Methoden (MOCVD und ALD) abgeschieden wurde. Zusätzlich fand eine Al2O3 Abscheidung auf Graphenproben statt, die mit dünnem Aluminium vorbehandelt wurden. Die so erhaltenen Proben wurden anschließend mit Hilfe der Ellipsometrie, der Rasterkraftmikroskopie, der Strom-Spannungs-Analyse und der Kapazitäts-Spannungs-Analyse untersucht. Aus den Messungen wurden wichtige Materialparameter von Al2O3, wie die Oberflächenrauheit, die Durchbruchfeldstärke, die relative Permittivität und die Grenzflächenzustandsdichte extrahiert, sowie auftretende Stromfluss- und Durchbruchmechanismen charakterisiert.
Photoelektrochemische Charakterisierung von MOCVD präparierten p-GaP für die photoelektrische Wasserspaltung. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Eine wichtige Quelle der Energieproduktion sind in Deutschland die Regenerativen Energien. Eine Möglichkeit die produzierte Energie zu nutzen, ist die Umwandlung zu Wasserstoff. Wasserstoff ist ein Energieträger, der sich einfach speichern und transportieren lässt. Durch die Kombination von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle können Elektrizität, Wärme und Wasser produziert werden. Derzeit wird Wasserstoff hauptsächlich über klassische Methoden wie Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen (fossile Brennstoffe) oder Wasserelektrolyse und Thermolyse produziert. Neue technische Verfahrensweisen zur Wasserstoffproduktion kombinieren die direkte Sonnenenergie und Wasserelektrolyse in einer einzelnen Photoelektrode, auch bekannt als photoelektrochemische Wasserspaltung. Diese neue Methode ist sehr interessant und beinhaltet viele technische Herausforderungen. In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an p-dotiertem Galliumphosphid (GaP) durchgeführt, um dies photoelektrochemisch zu charakterisieren und die Eigenschaften des Materials zu analysieren. Einige Proben wurden mit einer phosphorreichen Oberfläche präpariert (GaP(100)P), die anderen wiesen eine oxidierte Oberflächenrekonstruktion auf (GaP(100) und GaP(111)). Über zwei wichtige elektrochemische Messmethoden, Linear Sweep Voltammetry (LSV) und Chronoamperometry (CA), wurden die photoelektrochemischen Charakterisierungen des GaP durchgeführt. Die Ergebnisse von GaP(100), GaP(111) und GaP(100)P sind sehr unterschiedlich. Zum Anfang zeigt die GaP(111)-Probe die höchsten Stromdichten, verglichen zu den anderen beiden Proben auf, aber nach einer vierstündigen CA sinkt die Stromdichte und ist relativ ähnlich zu den GaP(100)-Proben. Hingegen weist die GaP(100)-Probe eine höhere Stabilität und die GaP(100)P zeigen die schlechtesten Ergebnisse in Bezug auf Leistung und Stabilität zu den beiden anderen Proben auf. Für die Charakterisierung der Oberflächenmorphologie von GaP wurden Untersuchungen mit Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Lichtmikroskopie durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen auf eine starke Abhängigkeit von der Art der Oberflächenpräparation, der Rekonstruktion in den verschiedenen Kristallorientierungen und den damit einhergehenden Oberflächenzuständen schließen. Für zukünftige Untersuchungen sollte die Stabilität von GaP optimiert werden. Dies beinhaltet eine Festlegung der Oxidschichtdicke sowie der Phosphorschicht an der Halbleiteroberfläche. Des Weiteren ist es wichtig, unterschiedliche Materialschichten für eine Tandemzelle zu untersuchen, um die photoabsorptions Effizienz zu steigern und somit auch die Effizienz Wasser zu spalten.
Anysotropy and humidity effect on tensile properties and electrical volume resistivity of fused deposition modeled acrylonitrile butadiene styrene composites. - Ilmenau. - 106 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Anisotropie und Feuchtigkeit auf die Zugeigenschaften und den elektrischen Volumenwiderstand von ABS/CNT und ABS/mCF, hergestellt durch FDM-3D-Druck, untersucht. Um den Einfluss der Anisotropie zu untersuchen, wurden drei unterschiedliche Schichtdruckorientierungen (0 ˚, 45 ˚ und 45 ˚ / -45 ˚) in einer Schichthöhe von 0,2 mm verglichen. Es wurde festgestellt, dass der Einfluss der Anisotropie auf das ABS/mCF-Zugverhalten aufgrund der Beziehung zwischen der Leistung/dem Widerstand und der Ausrichtung der Bewehrung wichtig ist. Auf der anderen Seite wurde kein signifikanter Einfluss auf die ABS/CNT gefunden. Bei dem elektrischen Volumenwiderstand wurde keine signifikante Variation bei ABS/CNT durch die Anisotropie der Schichten gefunden. ABS/mCF konnte wegen des hohen Widerstandes des Verbundwerkstoffes nicht getestet werden. Um den Einfluss von Feuchtigkeit zu untersuchen, wurden zwei Bedingungen auf den Filamenten der Materialien in der Studie verglichen: trocken und Feuchtigkeit ausgesetzt. Es wurde festgestellt, dass der Einfluss der Feuchtigkeit auf ABS/mCF-Zugverhalten ebenfalls bemerkenswert ist, da die von den Filamenten absorbierte Feuchtigkeit durch Dampfblasenexplosionen während des 3D-Druckens entfernt wird, wodurch die Haftung zwischen den Fasern und der Matrix verarmt. Auf der anderen Seite wurde erneut kein signifikanter Einfluss auf ABS/CNT gefunden. Der elektrische Volumenwiderstand wird stärker durch Feuchtigkeit beeinflusst, was auf die dank der zuvor erwähnten Dampfexplosionen weniger einheitliche Struktur der Proben zurückzuführen ist, die mit der Feuchtigkeit ausgesetzten Filamenten gedruckt wurden.
Orientierende Voruntersuchungen zur Entwicklung eines zyanidfreien Silberelektrolyten. - Ilmenau. - 114 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Galvanisch abgeschiedene Silberschichten werden in vielen Bereichen der modernen Technik eingesetzt. Die Gründe dafür sind die hervorragenden Eigenschaften von Silber wie die elektrische und thermische Leitfähigkeit. Anwendungsfelder sind die Elektrotechnik, die Energiegewinnung und die Medizin. Mit der zunehmenden Automatisierung, wie die Elektromobilität, das Internet der Dinge oder die fortschreitende Miniaturisierung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung, wird die Nachfrage noch weiter steigen. In der Industrie werden hauptsächlich zyanidhaltige Silberbäder verwendet, um die benötigten Silberschichten herzustellen. Jedoch wird in der Forschung stetig daran gearbeitet zyanidfreie Ansätze zu entwickeln, um die Gefahren für Mensch und Umwelt zu reduzieren. Dies versucht auch die vorliegende Masterarbeit. Deren Aufgabe darin besteht, mittels potentiometrischer Titration, Stromdichte-Potential-Kurven, Hull-Zellenabscheidungen und REM-Aufnahmen, in orientierenden Voruntersuchungen einen zyanidfreien Silberelektrolyten zu entwickeln. Dazu werden zyanidfreie Ansätze aus der Literatur untersucht und mit eigenen Elektrolytzusammensetzungen ergänzt. Aus Vergleichen mit einer zyanidhaltigen Referenz ergibt sich ein Ansatz, der mittels Variation der Abscheideparameter und der Zugabe von Additiven optimiert wird. Dieses Vorgehen führt zu einer alkalischen Elektrolytzusammensetzung, deren Abscheidung mit der aus zyanidhaltigen Silberelektrolyten vergleichbar ist. Mit diesem ist es möglich, über einen breiten Stromdichtebereich homogene, geschlossene und matte Silberschichten abzuscheiden. Dabei kommt ein Komplexbildner zum Einsatz, der ungiftig und deutlich umweltfreundlicher ist als Zyanid. Allerdings sollte in weiterführenden Untersuchungen die Glanzbildung und die Prozesssicherheit sowie die Anwendbarkeit in größerem Maßstab erforscht werden.
Abscheidung von Zinnoxidschichten mittels Atmosphärenduckplasmajet. - Ilmenau. - 129 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In der vorliegenden Arbeit wurden undotierte Zinnoxidschichten mittels Atmosphä-rendruckplasmajet (APPJ) auf Glas- und Siliziumsubstrate abgeschieden. Als Precursor wurde Tetrabutylzinn (TBT) verwendet und mit Hilfe einer Aerosolerzeugereinheit in den Plasmastrahl eindosiert. Die Einflüsse der Auftragsanzahl und der Substrattemperatur auf die Schichteigenschaften wurden untersucht. Die Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgte mittels 4-Punkt-Messung. Um die Transmission und die optischen Bandlücken zu ermitteln, kam UV-Vis-Spektroskopie zum Einsatz. Die Schichtdicken sowie optische Eigenschaften wurden mit Hilfe der Spektralellipsometrie analysiert. Die Charakterisierung von Schichtaufbau und Morphologie erfolgte auf Grundlage von REM-, AFM- und TEM-Untersuchungen. Zusätzlich fand die Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit anhand von Lichtmikroskopie, Profilometrie und Kontaktwinkelmessung statt. Basierend auf GI-XRD-Untersuchungen wurden Struktur, Textur und Korngröße der Zinnoxidschichten bewertet. Bei Substrattemperaturen unter 300 ˚C auf Si abgeschiedene SnOx-Schichten bestehen aus einem 20 bis 30 nm dicken, relativ dichten und feinkörnigen Film, der mit steigender Entfernung von der Substratoberfläche in ein poröses Gerüst aus Partikelaggregaten und -clustern übergeht. Mit steigender Substrattemperatur verdichtet sich die Schicht, die scharfkantigen Partikel runden sich deutlich ab und lagern sich dichter zusammen. Für die APPJ-Schichten auf Glassubstraten konnte kein Zusammenhang zwischen Substrattemperatur oder Anzahl der Beschichtungsdurchläufe und spezifischem Widerstand festgestellt werden. Er schwankt zwischen 0,01 [Omega]cm und 0,4 [Omega]cm und ist etwas geringer als die Widerstände der durch Sputtern hergestellten Vergleichs-SnOx-Schichten (0,15…1,5 [Omega]cm). Die Schichten sind überwiegend röntgenamorph bzw. nanokristallin. Ansätze von Röntgenpeaks zeigen sich erst ab einer Substrattemperatur von 500 ˚C. Der Leitsilberlack, der zur Substratfixierung bei hohen Temperaturen verwendet wurde, induziert eine Kristallisation bzw. Umkristallisation der SnO2-Schicht. Sie setzt unmittelbar nach dem Abscheidevorgang auf beheizten Substraten ein und wird durch die Abkühlung auf Raumtemperatur unterbrochen. Hierbei bilden sich komplexe und stark verzweigte Kristalle in einem kurzen Zeitraum, was auf ein thermodynamisches Ungleichgewicht in den abgeschiedenen Schichten hindeutet.