Investigation and development of hydrogen concentration in a-SiNx passivation layer deposited by PECVD on the p-type crystalline silicon substrate. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Der Wirkungsgrad von Solarzellen kann durch lichtinduzierte Degradation (LID) bis zu zehn Prozent reduziert werden. Die durch den Czocharalski Prozess gewachsenen kristallinen Silizium-Solarzellen weißen eine hohe Konzentration an Sauerstoffverunreinigung auf, welche mit den Dotierungselement Bor unter Beleuchtung reagieren. Es bilden sich sogenannte rekombinationsaktive Bor-Sauerstoff-Komplexe. Diese verursachen das rekombinationsaktive Energieniveau in der Bandlücke, welches die SRH-Rekombination steigert. Dies reduziert die Lebensdauer der Ladungsträger in den Zellen. Im Jahr 2006 wurde beobachtet, dass eine Umwandlung von Bor-Sauerstoff-Komplexen, durch eine verstärkte Trägerinjektion (Beleuchtung) bei erhöhten Temperaturen stattfindet. Dies führte zu einer vollständigen Wiederherstellung der Bulk-Lebensdauer und damit zur Steigerung der Effizienz des p-typ Cz-Silizium-Solarzellen [2]. Im Jahr 2009 hat Münzer [3] diese Eigenschaft hauptsächlich auf die Anwesenheit von Wasserstoff zurückgeführt. Durch den contact-firing Prozess diffundiert der Wasserstoff vom amorphen Siliziumnitrid (a-SiNx:H) in das Silizium Substrat. Ein Zusammenhang zwischen der Regeneration der B-O-Komplexe zu der Konzentration von einatomigem Wasserstoff im Si-Bulk wurde in der Literatur kürzlich diskutiert. Es wird angenommen, dass die Eigenschaften der a-Sinx:H Schicht, im Besonderen aber die Konzentration des Wasserstoffs nach der Abscheidung, direkt proportional zur Geschwindigkeit der Regenerationsprozess ist. Eine ausgeklügelte Steuerung der Abscheidungsparameter, zur Erhöhung der Regenerationsgeschwindigkeit, wird daher als Schlüsselfaktor zur industriellen Anwendung des Regenerationsprozesses gesehen. Da Wasserstoff der entscheidende Faktor ist, wird ein beschleunigter Regenerationsprozess erwartet, wenn die Wasserstoffkonzentration im Bulk-Silizium erhöht wird. Das Ziel dieser Arbeit ist die Wasserstoffkonzentration in SiNx-Passivierungsschicht über unterschiedliches Gasgemisch aus NH3/SiH4 zu untersuchen. Damit soll die effektive Ladungsträgerlebensdauer in p-Typ-Si-Substraten durch Abscheidung von SiNx verlängert und der Einfluss von bulk-diffundiertem Wasserstoff auf den Regenerationsprozess bestimmt werden. Der Einfluss der Wasserstoffkonzentration auf die Ladungsträgerlebensdauer wurde im Degradation-Regeneration-Prozess unter Beleuchtung und erhöhten Temperaturen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zusammensetzung der SiNx Schicht und die Konzentration von Wasserstoffverbindungen durch unterschiedliche Gasverhältnisse und verschiedene Trägergase während der Abscheidung geändert werden. Unterschiedliche Schichtzusammensetzungen führen zu verschiedenen Schichtdichten und damit zu veränderter Wasserstoffdiffusion nach der Feuerung. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Wasserstoffdiffusion und der Schichtdichte SiNx nachgewiesen werden.
Prozessentwicklung und charakterisierung von optisch transparenten nanostrukturierten Oberflächen. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Im Rahmen des Projekts SACCA (System for Automated Cell Cultivation and Analysis) soll einen Biosensor entwickelt werden, der im flüssigen Medium mit einer transparenten Oberflächen, wodurch optische Messverfahren ermöglicht werden und worauf die Zellen nicht anwachsen wollen sollen, die Anwesenheit der Zellen messen soll. Die vorliegende Masterarbeit greift das Konzept und die Technologie auf. Eine technologische Umsetzung wird erfolgreiche zur Erzeugung der Nanostrukturen durchgeführt. Auf Basis des Konzepts und Anwendung des SAW-Sensors wird ein neuer Sensortyp entwickelt. Bei diesem werden Lamb-Wellen durch Interdigital Strukturen auf einer piezoelektrischen Membran erzeugt. Diese Wellentypen ermöglichen die Messungen im flüssigen Medium und die Änderung der Eigenschaften des Fluids zu erkennen. Das Konzept wird für den Flexural-Plate-Wave-Sensor (FPW) in der Arbeit bearbeitet und einen Entwurf mit einem SAW-Sensor mit einer Membran technologische umgesetzt. Die Fähigkeit des Entwurfs wird durch einen Vergleichung mit einem SAW-Sensor und Messungen im flüssigen Medium verifiziert. Der Einfluss von Wasser, Isopropanol und der Unterschied zwischen beiden Flüssigkeiten wird durch die Messungen erfolgreich beachtet. Zum Schluss erfolgen die Auswertung der Ergebnisse und ein Ausblick auf möglichen Erweiterungen.
Entwurf eines elektrostatischen Membranschalters für SiCer-Substrate. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Im Bereich der modernen Telekommunikation leitet uns der wachsende Trend der schnelleren, kleineren und effizienteren Radiofrequenz Front- und Backends für Smartphones, Kommunikationssatelliten und Applikationen für die Industrie 4.0 dazu innovative Impedanzanpassung Techniken und Schaltungen zu berücksichtigen. RF Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) in Kombination mit Niedertemperatur Co-fired Ceramics in einer Silizium-auf-Keramik-Technologie bieten eine hohe HF-Dielektrikum Leistung und verlustarme einstellbaren Kapazitäten (Varaktor). In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die elektrischen und mechanische Simulation, Konstruktion und Fertigung von drei verschiedenen Varaktoren in drei verschiedenen Größen auf einem SiCer Substrat und ihre Integration in ein Impedanzanpassungsnetzwerk auf koplanare Wellenleiter. Die Verwendung von anti-pull-in Designs ermöglichen Hochkapazitätsquotient und analoge Justierung durch bias Spannungseinstellung über den gesamten Kapazitätsbereich resultierend in hohen Eingangsimpedanzanpassungsmöglichkeiten.
Auslegung und Simulation mechanischer Eigenschaften eines Hybridverbundes aus CFK und GFK und Vergleich mit experimentellen Ergebnissen. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Beeinflussung veränderlicher Einsatztemperaturen und variablem Lagenaufbau eines Hybridlaminats aus CFK und GFK. Grundlage bildet eine Anpassung der klassischen Laminattheorie mit temperaturabhängigen Ausgangsgrößen. Dies soll reellere Werte der Laminatsteifigkeit und der resultierenden Spannungen widergeben. Anhand praktischer Versuche mit Vergleichslaminaten erfolgt die Ermittlung der Ingenieurkonstanten der Proben, auf Basis von gemessenem Spannungs-Dehnungs-Verhalten. Diese Werte werden mit berechneten Größen vergli-chen. Die Lagenschichtung der Proben erfolgt in der Kombination CFK/GFK - 0/0˚, 0/90˚, 90/0˚ und 90/90˚. Dies stellt den höchstmöglichen Winkelversatz bei den Faserorientierungen in einem Laminat dar. Da aus diesen Anordnungen ermittelten Werte lassen auf weitere Kombinationen unterschiedli-cher Orientierungsvarianten der Einzelschichten in einem Hybridlaminat schließen und eine Voraussage über das Werkstoffverhalten treffen. In dieser Arbeit wird das Verhalten eines Hybridverbundes aus HT-Kohlefasern und E-Glasfasern in Kombination mit Epoxidharz untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage zur Untersuchung weiterer Werkstoffkombinationen. Ziel ist es ein Material- und Berechnungsmodell aufzustellen, das geeignet ist das Verhalten eines Hybridverbundes aus CFK und GFK in Abhängigkeit vom Lagenaufbau zu beschreiben.
Herstellung von MAX Phasen aus dem Dreistoffsystem Ti-Al-C basierend auf dem Ansatz von Materialbibliotheken. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
MAX Phasen sind eine relativ junge Materialgruppe und zeigen herausragende elektrische und mechanische Eigenschaften sowie eine starke Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen und aggressiven Umgebungen. Sie vereinen somit als Funktionskeramik viele vorteilhafte Eigenschaften von Metallen und Keramiken. Dieses einzigartige Eigenschaftsprofil eröffnet interessante Anwendungsgebiete auch im Bereich dünner Schichten, wie beispielswiese als elektrische Kontakte, Korrosionsschutzschichten und tribologische Anwendungen bei hohen Temperaturen. Diese Arbeit beschreibt die Herstellung der MAX Phasen Ti2AlC und Ti3AlC2 als Dünnschicht. Als Ausgangspunkt dient dabei die Untersuchung des Dreistoffsystems Titan-Aluminium-Kohlenstoff mit kombinatorischen Dünnschichtverfahren. Dabei wird in einem Beschichtungsexperiment eine Vielzahl von Zusammensetzungen auf einem Wafer erzeugt. Die Multilayer-Stapel, aus reinem Titan, Aluminium und Kohlenstoff, wurden bei Raumtemperatur zyklisch mittels DC Magnetron-Sputtern aus den drei elementaren Targets abgeschieden. Die kombinatorischen Materialbibliotheken wurde dabei durch keilförmige Elementschichten als Teil des Schichtsystems erzeugt. Als Substrat dienten 4" Silizium-{100}-Wafer mit einer Diffusionsbarriere entweder aus 50 nm SiO2 oder Si3N4. Zur Aktivierung der Festphasenreaktion der Komponenten zu den MAX Phasen Ti2AlC und Ti3AlC2 wurden Temperaturbehandlungen bei 700-1050 ˚C über 20 s durchgeführt. Die Zusammensetzung und Phasenbildung wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall analysiert. Dabei wurde sowohl die Bildung von polykristallinem Ti2AlC, Ti3AlC2 als auch koexistierendem Ti3Al festgestellt. Härtemessungen mittels Nanoindentor, mit Vickerspyramide und einer Maximalkraft von 1 mN, ergaben eine Martenshärte von 11-12 GPa. Elektrische Messungen mittels linearer Van der Pauw-Methode ergaben für 950 ˚C getemperte Proben mit vorwiegend Ti2AlC einen spezifischen elektrischen Widerstand von 3,3 3,5&hahog;10^-7 [Omega]m. Proben mit vorwiegend Ti3AlC2 wiesen einen etwas höheren Widerstand von 5,7&hahog;10^-7 [Omega]m auf.
Untersuchung und Bewertung von Polymer beschichteten, hartferritischen Mahlkörpern für die elektromechanische Nasszerkleinerung. - 142 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Anforderungen an die Sterilität bei Mahlprozessen sind in der Pharmaindustrie sehr hoch. Momentan werden die Wirkstoffe in Rührwerkskugelmühlen und Planetenkugelmühlen zerkleinert. Der Nachteil dieser Mühlen ist, dass die Prozesskammer und der Mühlenantrieb nur unter großem Aufwand getrennt werden können, dadurch wird die Reinigung erschwert. Eine Alternative ist die momentan in Entwicklung befindliche elektromechanische Nassmahlung. Bei diesem Prinzip ist dieses Problem nicht vorhanden, da konstruktionsbedingt kein mechanischer Antrieb vorhanden ist. Für das elektromechanische Prinzip (EMZ) sind hartmagnetische verschleißfeste Mahlkörper notwendig. Besonders geeignet ist Strontiumhexaferrit (SrFe12O19). Die Eignung solcher Mahlkörper für das EMZ wurde bereits in früheren Arbeiten nachgewiesen. Ziel dieser Arbeit ist es verschleißfeste Mahlkörper zu entwickeln, deren Verschleiß produktverträglich ist. Dies soll über eine Dickbeschichtung mit Kunststoff erfolgen. Dabei müssen die Mahlkörper gewährleisten, dass kein ferritischer Abrieb in das Mahlgut gelangt. Außerdem müssen sie die notwendigen magnetischen Kennwerte auch nach der Beschichtung erfüllen. Bei den Versuchen mit einem modifizierten Wirbelsinterverfahren zeigte sich, dass unterschiedliche Vorbehandlungen an den Mahlkörpern die Verschleißfestigkeit signifikant erhöhen. Außerdem hat sich ergeben, dass die Rundheit der hartmagnetischen Grundkörper einen großen Einfluss auf die Schichtqualität und Verschleißfestigkeit hat. Weiterhin gibt es eine deutliche Korrelation zwischen der Schichtdicke und der Temperatur des Kunststoffpulvers während der Beschichtung. Je höher die Pulvertemperatur ist, desto dicker wird die Schicht. Durch verschiedene Nachbehandlungen konnten die magnetischen und Oberflächeneigenschaften stark verbessert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das Beschichten von SrFe12O19 Mahlkörpern mit Polyamid-Pulver mit einem modifizierten Wirbelsinterverfahren möglich ist und die geforderten Eigenschaften erreicht werden und auch nach der Beschichtung im elektromechanischen Mahlprozess eingehalten werden können.
Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit eines Epoxidharzes durch die Integration von nanoskaligen Böhmit-Partikeln. - 155 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Infolge der Energiewende wird nach stetig neuen Wegen gesucht die Energieproduktion mittels erneuerbarer Energien, wie unter anderem von Windkraftanlagen, effizienter und kostengünstiger zu machen. Um dies umzusetzen, ist eine Vergrößerung der Rotorblätter notwendig. Aufgrund der zwangsläufigen Massenerhöhung und der sehr hohen Ermüdungsbeanspruchung der Rotorblätter, ist ein besonders gutes Masse-Eigenschafts-Verhältnis der einzusetzenden Materialien gefordert. Die aktuell bekannten Werkstoffe haben in dieser Hinsicht ihre Einsatzgrenzen erreicht. Deshalb liegt ein Fokus auf den vielversprechenden, leistungsstarken, nanopartikelverstärkten Kunststoffen. Unter diesem Aspekt befasst sich diese Arbeit mit der Herstellung von einem mit nanoskaligen Böhmitpartikeln modifizierten Epoxidharz und insbesondere der Beeinflussung der Ermüdungsfestigkeit mittels dynamischer Vierpunktbiegung. Dabei wurde auch der Einfluss von verschiedenen Partikeloberflächenmodifikationen und Partikelfüllgehalten auf die Verarbeitung, sowie die mechanischen Eigenschaften von Epoxidharz analysiert. Die Untersuchungen ergaben dabei, dass eine Taurinmodifizierung die beste Verarbeitbarkeit der geprüften Epoxidharzmodifizierungen aufzeigt. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften werden vor allem in Abhängigkeit des Füllgehaltes gesteigert. Mit dem höchsten, getesteten Nanopartikelfüllgehalt von 15 Gew% wurde eine höhere Bruchzähigkeit, größere Zugfestigkeit, größeres E-Modul und eine 10fach längere Ermüdungslebensdauer im Vergleich zum unverstärkten Epoxidharz erreicht.
Einfluss verschiedener Legierungselemente und Wärmebehandlungen auf Gefüge und Eigenschaften sekundärer AlSi-Gusslegierungen. - 162 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Im Rahmen der vorliegenden Masterarbeit wird der Einfluss von Fe, Mn, Mo, Cr, Co, Cu, Mg, Ni, Zn, Ti, Zr und Sr auf das Gefüge einer sekundären AlSi-Gusslegierung im Gusszustand untersucht. Dabei werden die unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten berücksichtigt, die sich innerhalb der Legierungsabgüsse im Fließkanal einer Gießspiral-Kokille ergeben. Neben thermodynamischen Werkstoffsimulationen mittels JMatPro® werden Härtemessungen sowie Licht- und Rasterelektronenmikroskopie mit EDX durchgeführt. Eine Steigerung des Fe-Gehalts führt aufgrund des erhöhten Anteils an α-Al15(Fe,Mn)3Si2 Phasen zu einem Härteanstieg. Die Morphologie dieser Phasen wird zudem plattenförmiger. Durch Zugabe an Mn, Cr, Co wird der Phasenanteil von α-Al15(Fe,Mn)3Si2 ebenfalls erhöht, wobei Cr und Co in diese Phasen mit eingebaut werden. Ein zunehmender Cr-Gehalt führt zudem zur Anhäufung primärer, polygonaler Phasen. Mo besitzt einen einformenden Effekt auf Fe-haltige Phasen durch Bildung einer AlFeMoSi Phase, die Mn enthält. Ni-Zugabe bewirkt die Erstarrung einer neuen AlCuNi-Phase. Zn besitzt keinen Einfluss auf intermetallische Phasen, da es hauptsächlich im Al-Mischkristall gelöst ist. Mit zunehmendem Cu- bzw. Mg-Gehalt steigt der Anteil der - und Q-Phase bzw. der π-Phase. Des Weiteren erhöhen sich deren Konzentration im Al-Mischkristall und die Härte. Beide Elemente weisen eine Konzentrationsseigerung zum Rand des Al-Dendriten auf. Durch Erhöhung des Zr- bzw. Ti-Gehalts steigt ebenfalls die Zr- bzw. Ti-Konzentration im Al. Im Gegensatz zu Cu und Mg ergibt sich eine Seigerung zum Kern des Al-Dendriten. Zr erstarrt zudem als Al3(Zr,Ti)-Phasen. Die Zugabe von Sr veredelt das Al/Si-Eutektikum. Ist kein Sr in der Legierung vorhanden, wird die Morphologie des Eutektikums allein durch die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt. Zudem ergeben hohe Abkühlgeschwindigkeiten kleinere intermetallische Phasen. Basierend auf den Erkenntnissen wurden simulative Wärmebehandlungen mit JMatPro® durchgeführt, bei denen sich zeigte, dass eine AlSi10Fe0,5Cu2,4Mg0,3-Legierung gute Festigkeiten aufweisen bei moderaten Warmauslagerungszeiten und temperaturen.
Verformungsverhalten von dielektrischen Elastomeraktoren (DEA) aus extrudierten thermoplastischen Elastomeren. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Arbeit wurde das Verformungsverhalten dielektrischer Elastomeraktoren auf Basis thermoplastischer Elastomere näher untersucht. In bisherigen Veröffentlichungen wurden dielektrische Elastomeraktoren hauptsächlich auf Basis klassischer Elastomere, wie zum Beispiel Silikone, hergestellt. In dieser Arbeit soll aufgrund der Vorteile in der Verarbeitung versucht werden Aktoren auf Basis thermoplastischer Elastomere zu fertigen. Aufbauend auf das Funktionsprinzip dielektrischer Elastomeraktoren wurde eine Materialhypothese aufgestellt, mit dessen Hilfe es möglich ist bei gezielter Materialauswahl die Aktorbewegung zu erhöhen. Nach der Auswahl geeigneter Dielektrikumsmaterialien und Elektrodenmaterialien soll das Verformungsverhalten des gefertigten Aktors in dem für diese Arbeit entworfenen Prüfstand untersucht werden. Die hergestellten Aktoren wurden unter Aufbringung einer Vorspannkraft in die Aufnahmen des Prüfstandes eingespannt. Nach Aktivierung der Aktoren mit Hochspannung blieb die erwartete sprunghafte Kraftreduktion der Vorspannkraft durch die Vergrößerung der Aktorfläche aus. Es konnte nur eine Kraftreduktion durch den, aufgrund der aufgebrachten Vorspannkraft, eintretenden Kriecheffekt gemessen werden. Aufbauend auf die Versuchsauswertung wurde eine Fehlerbetrachtung durchgeführt, mit dessen aufgestellten Ansätzen die Materialhypothese in anschließenden Arbeiten untersucht und bestätigt werden kann.
Werkstoffwissenschaftliche Untersuchungen an Kompakt- und Schichtmaterialien mit dem GD-OES-Verfahren. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die optische Glimmentladungsspektroskopie zählt zu den Oberflächenanalyseverfahren und ermöglicht die Untersuchung von leitfähigen, wie auch isolierenden Materialien. Sie erlaubt es, hochauflösende Tiefenprofile zu erstellen, welche Aufschluss über die Elementverteilung in Randschichtbereichen und in komplizierten Schichtsystemen geben. Trotz seiner schlechten lateralen Auflösung aufgrund größer Anodendurchmesser (2 - 8 mm) besitzt das Verfahren großes Potential beim Einsatz in der Charakterisierung und Entwicklung von Schichtmaterialien, z.B. in der Sensortechnologie. Im Rahmen dieser Masterarbeit wird eine Multielementemessmethode für isolierende Sensorschichten auf Silicium entwickelt. Die Problematik der Kalibrierprobenauswahl und der Methodenkalibrierung wird eingehend vorgestellt und beschrieben. Das Verfahren kommt herkömmlicher Weise bei der Analyse von ebenen Schichten zum Einsatz. Es wurden daher unterschiedliche Schichtmaterialien (TiO2, SnO2, In2O3, WO3) im Dickenbereich von 25 nm - 800 nm untersucht. Dadurch ist eine Beurteilung und Optimierung des Herstellungsprozesses dieser möglich. Das Verfahren liefert Aussagen, welche mit weiteren angewendeten Messverfahren (EDX, RFA, XRD) nicht möglich sind. Die Schichtstöchiometrie kann auch beim Einsatz von SiO2-Sperrschichten ermittelt und damit eine Prozesskontrolle realisiert werden. Weiterhin ist der Prozess der Kristallisation und Annahme der stöchiometrischen Zusammensetzung, beispielsweise bei der thermischen Nachbehandlung von WO3-Schichten bei 460˚C, beobachtbar. Schlussfolgerung dessen ist, dass die Prozessdauer schichtdickenabhängig anzupassen ist, um eine vollständige Umwandlung zu erzielen. Des Weiteren können, bei der Schichtherstellung mit Hilfe von Sputtertargets, Abweichungen von der Stöchiometrie durch Verlust von Sauerstoff während der Deposition auftreten und mit dem GD-OES-Verfahren nachgewiesen werden. Der weitreichende Einfluss von Adsorbaten auf die Analyse ist in den Tiefenprofilen erkennbar. Somit eröffnet sich hier eine neue Möglichkeit, den Anlagerungsprozess von Brandgasen an Sensorschichten zu bewerten und Optimierungen der Schichten vorzunehmen. Erstmalig wurde die Eignung der Tiefenprofilanalyse mittels GD-OES auch für strukturierte Substrate mit Beschichtung nachgewiesen. Es ist eine Bestimmung der Schichtstöchiometrie realisierbar. Der Abtragsprozess durch das Plasma wurde für Black Silicon sowie Schichten auf Black Silicon beschrieben. Der Einfluss der Abtragscharakteristik auf den Verlauf des Tiefenprofils geht daraus hervor. Aus den Untersuchungen ergeben sich neue, interessante Fragestellungen für die Anwendung des Verfahrens im Bereich strukturierter Oberflächen.