Master-/Diplomarbeiten

Innerhalb dieser Arbeit findet die Untersuchung der optischen Eigenschaften Graphens mit Hilfe von Reflektivitätsmessungen in der infraroten Domäne statt. Zur Herstellung der Graphenproben wurde das epitaktische Wachstum auf der Si-Oberfläche von semi-isolierenden respektive n-dotierten SiC gewählt. Der Wachstumsprozess ist in zwei Schritte untergliedert. Der erste Schritt dient zur Bildung einheitlicher Terrassen, welche durch SiC-Stufenkanten voneinander getrennt sind und die Ausgangslage zum anschließenden Graphenwachstum im zweiten Schritt darstellen. Zur Untersuchung des Einflusses der Wachstumstemperatur und deren Haltezeit wurden beide Parameter variiert. Die Aufnahme der Reflektivitätsmessungen fand in einem Messbereich von 400 1/cm bis 4000 1/cm unter p- bzw. s-Polarisation statt und ermöglicht sowohl die Extrahierung der Schichtdicke Graphens, des Fermi-Niveaus als auch der Impuls-Relaxationszeit der Intrabandübergänge. Eine Analyse des Einflusses der Wachstumstemperatur auf die gebildete Lagenzahl wurde durchgeführt. Mit Hilfe des bestimmten Fermi-Niveaus lässt sich eine mittlere Ladungsträgerkonzentration Graphens pro Monolage berechnen. Darüber hinaus ist die Ermittlung der Beweglichkeit aus der Impuls-Relaxationszeit möglich.

Für die Erkennung von Bränden in der frühen Entstehungsphase, ist es erforderlich Sensoren mit hoher Sensitivität, Langzeitstabilität und geringer Querempfindlichkeit zu entwickeln. Gassensoren auf Basis von Metalloxiden zeichnen sich durch unterschiedliche Sensitivitäten gegenüber verschiedenen Rauch- und Brandgasen aus. Ziel dieser Arbeit war es, anhand von Komplexuntersuchungen die elektrischen Kenndaten der untersuchten Metalloxidschichten in Abhängigkeit von Prozessführung, Struktur-, Gefüge- und Eigenschaftsbeziehungen zu evaluieren. Dazu wurden Schichten aus WO3 und SnO2 auf ebenem Siliziumsubstrat untersucht. Mittels Magnetronsputtern in Sauerstoffatmosphäre wurden diese aufgetragen und in einem anschließenden Temperprozess behandelt. Zu den Ermittlungen der elektrischen Eigenschaften kamen Untersuchungen der Oberflächenbeschaffenheit, Kristallinität, Korngröße und Schichtdicke hinzu (Masterarbeit Anna Franz). Parallel dazu wurden quantitative Tiefenprofil- und Stöchiometrieanalysen mittels optischer Glimmentladungsspektroskopie erstellt (Masterarbeit Rene Böttcher). Auf Basis von theoretischen Modellen zum Ladungstransport in dünnen Schichten, wurden die Ergebnisse der elektrischen Leitfähigkeitsuntersuchungen bewertet. Es stellte sich heraus, dass für die untersuchten Metalloxidschichten das Modell nach Mayadas und Shatzkes, welches einen Korngrenzeneinfluss auf den elektrischen Widerstand als vordergründig propagiert, als valide eingestuft werden kann. Die für WO3 und SnO2 optimalen Prozessparameter konnten im Rahmen der Untersuchungen bestimmt werden. Zudem wurden im Rahmen des EU-Projektes SAFESENS weiterführende Gassensortests vom Projektpartner Bosch am Standort Reutlingen durchgeführt. Mit abnehmender Schichtdicke konnte die Sensitivität der untersuchten Metalloxidschichten gesteigert werden. Wolframoxid zeigte gegenüber NO2 und Zinnoxid gegenüber H2 sehr gute Sensorreaktionen mit entsprechenden Sensitivitäten. Es konnte zudem ein kurzes Ansprechverhalten auf die zugeführten Gase, für beide Materialsysteme in Dünnschichtkonfiguration, nachgewiesen werden.

Im Fokus dieser Arbeit steht das Wachsen von ternären III-V Halbleiternanodrähten mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) über den vapor-liquid-solid (VLS)-Wachstumsmodus. Die Verbindungshalbleiter Galliumphosphidnidrid (GaPN) und Galliumarsenidphosphid (GaAsP) wurden auf Galliumphosphid (GaP(111)B) Substraten gewachsen und durch Variation der Wachstumsparameter sowie Wachstumssequenzen optimiert. Es erfolgte die Charakterisierung der Morphologie; der Kristallstruktur und der chemischen Zusammensetzung der Nanodrahtproben. Die hierfür verwendeten Untersuchungsmethoden waren die Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), die Röntgenbeugung (XRD) und die Raman-Spektroskopie. Die GaPN-Nanodrähte (NWs) wurden bei Temperaturen zwischen 500 ˚C und 550 ˚C und einem UDMH:TBP Präkursorverhältnis von 0:1 bis 9:1 gewachsen. Der Gruppe III-Präkursor stellte TMGa dar. Es konnten GaPN NWs über den VLS Wachstumsmodus gewachsen werden. Bei einem UDMH:TBP Präkursorverhältnis von 1:1 und 3:1 und einer NW-Wachstumstemperatur von 500 ˚C und 525 ˚C haben die NWs die besten morphologischen Eigenschaften: alle Nanodrähte stehen senkrecht zur Substratoberfläche in [111] Richtung und sind kaum getapert. Der Einbau von Stickstoff über den VLS Modus konnte mittels Ramanspektroskopie nachgewiesen werden. Jedoch scheint es, dass sich nur ein geringer Teil (≤ 0,24 %) auf Gruppe-V-Plätze einbaut und es zur Bildung von N-Clustern kommt. Der Präkursor UDMH fördert die axiale Wachstumsrate und hemmt die radiale Wachstumsrate der NWs. GaAsP-NWs wurden erfolgreich gewachsen. Der Phosphor zu Arsenanteil im Kristallgitter kann durch Variation des TBP:TBA Verhältnisses oder durch Variation der NW-Wachstumstemperatur eingestellt werden. Ihre morphologischen und strukturellen Eigenschaften können durch Anpassung der Präkursorflüsse, durch Veränderung der Ankeimtemperatur und -zeit, über den NW-Durchmesser, Beeinflussung der Heterogrenzflächen und nicht zuletzt der NW-Wachstumstemperatur gesteuert werden. Die GaAsP-NWs wuchsen erfolgreich bei TBP:TBA Verhältnissen von 0:1 bis 1:0 und bei einer NW-Wachstumstemperatur von 450 ˚C. Durch die XRD-Messungen konnte ein Polytypismus, die Ausbildung von Zinkblende- und Wurtzitphasen, der NWs festgestellt werden. Es wurde der Einbau von Phosphor in Abhängigkeit vom TBP:TBA Verhältnis untersucht. Es zeigt sich ein stark nichtlineares Verhalten, wobei der Einbau von Phosphor deutlich weniger effizient ist als der des Arsens. Darüber hinaus ist der Phosphoreinbau für 100 nm Au-Partikel weniger effizient als der für 50 nm Au-Partikel. Werden die gesamten Präkursorflüsse (TMGa, TBP und TPA) um das 1,5 bis 8-fache der Ausgangsflüsse erhört, so wird ein Rückgang des NW-Taperings und ein Anstieg der NW-Länge beobachtet. Durch eine Reduktion der Ankeimtemperatur von 600 ˚C auf 550 ˚C (mit gleichzeitiger Erhöhung der Ausheizzeit), lassen sich die parasitär gewachsene NWs stark reduzieren. Das Versetzen der Heterogrenzfläche in den NW, durch das Wachsen eines GaP-Sockels, verhindert das planare NW-Wachstum fast völlig. Eine Erhöhung des NW-Durchmessers führt zur Reduktion an Wurtzitphasen im NW. Zum Schluss gelang das Wachsen der NWs auf GaP/Silizium Quasisubstraten.

Die Arbeit behandelt Untersuchungen an flächigen, thermoplastischen, faserverstärkten Halbzeugen. Vor allem soll dabei die Möglichkeit einer Substitution von Glasfasern durch pflanzliche Naturfasern und die entsprechende Additivierung von Kunststoffen für den Gebrauch mit pflanzlichen Naturfasern betrachtet werden. Dazu werden verschiedene Additive in verschiedenen Dosierungen auf Schneckenanlagen zu Kunststoffen und in einem nächsten Schritt zu Organoblechen verarbeitet. An den Kunststoffen werden thermische und mechanische, an den Organoblechen chemische und mechanische Prüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse erlauben eine Aussage über die Eignung der jeweiligen Additive und deren Dosierung. Als Ergebnis wird eine an den Einsatz von pflanzlichen Naturfasern angepasste Kunststoffformulierung herausgestellt. Das daraus hergestellte Organoblech hat die im Rahmen der Betrachtungen höchsten mechanischen Eigenschaften.

Der Anteil an Aluminiumdruckgussbauteilen in den Karosserien heutiger Automobile wächst stetig. Je nach Anwendungsort in der Karosserie werden spezifische Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften gestellt. Aktuell geschieht die Fertigung der drei geforderten Festigkeitsklassen crashrelevant, festigkeitsrelevant und hochfest aus zwei verschiedenen Legierungszusammensetzungen kombiniert mit drei individuellen Wärmebehandlungsprozessen. Um eine Reduzierung der Komplexität des Wärmebehandlungsprozesses und eine Angleichung der Taktzeit zu erzielen, wird ein sogenanntes Uni-Alloy-Konzept entwickelt. Ziel ist das Einstellen der drei Funktionsklassen mit einer Legierungszusammensetzung und einer Wärmebehandlung mit einer taktzeitneutralen Parameteränderung. Dazu werden in einem ersten Schritt die Ergebnisse vorangegangener Versuche analysiert und bezüglich der mechanischen Performance und Prozessierbarkeit bewertet. Ausgehend von der Bewertung werden neue Lösungsansätze erarbeitet. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die Ansätze zur Einflussnahme auf die Legierungszusammensetzung und die Wärmebehandlung weiter verfolgt. Die Eignung der Ansätze für das Uni-Alloy-Konzept geschieht durch eine Bestimmung der mechanischen Eigenschaften unter Zugbelastung. Die mechanischen Kennwerte werden vor und nach dem Wärmeeintrag zur Simulation der kathodischen Tauchlackierung sowie des Wärmeeinflusses im Fahrzeugbetrieb untersucht. Es müssen thermisch stabile mechanische Kennwerte vorliegen. Die Einflussnahme auf die Legierungszusammensetzung wird durch eine Reduzierung des Mg-Gehaltes umgesetzt. Dabei kann, als neue Funktionsklasse, eine naturharte Legierung integriert werden. Für die Einflussnahme auf die Wärmebehandlung werden die Parameter der einzelnen Teilschritte Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern modifiziert. Es werden verschiedene Lösungsansätze zur Umsetzung des Uni-Alloy-Konzepts herausgearbeitet. Abschließend erfolgt ein wertender Vergleich der zielführenden Varianten. Es wird eine Empfehlung für die Umsetzung der Lösungsansätze in der Serie an Aluminiumdruckgussbauteilen gegeben.