Master-/Diplomarbeiten

Da Silber die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle aufweist, wird das Metall immer mehr für Kontaktbeschichtung in der Industrie der Elektromobilität geschätzt. Allerdings ist Silber ein weiches Material, welches auch keine gute selbstschmierenden Eigenschaften aufweist, was zu einem schlechten Verschleißverhalten und einer beschränkten Anwendung von Silber für nachhaltige Steckverbinderkontakte führt. Um diese Begrenzung des Silbers als Kontaktoberfläche zu lösen, wurden Silberelektrolyte entwickelt, die meistens entweder eine hohe Härte oder gute Gleiteigenschaften aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wurden Elektrolyte entwickelt und untersucht, die Schichten mit gleichzeitiger höherer Härte und besserer Abriebbeständigkeit erzielen. Die Hauptuntersuchung betraf einen cyanidhaltigen Hartsilberelektrolyt aus Silber-Antimon-Legierungen mit Graphitdispersionen in Pulver als Schmierstoff, beide aus dem Produkt-Portfolio der Umicore Galvanotechnik GmbH. Um den Einfluss von Parametern wie Antimon-Gehalt, Graphit-Gehalt, Stromdichte, Prozesstemperatur, Rührgeschwindigkeit, Zusatzstoffe und die Wärmebehandlung zu untersuchen, wurden Versuche mit verschiedenen Prozessparametern realisiert. Als Vergleich wurden weitere Versuche mit anderen Hartsilberelektrolyten durchgeführt. Es wurde hierfür ein cyanidhaltiger Silber-Bismut -Elektrolyt und ein cyanidfreier Silber-Antimon-Elektrolyt, beide mit Graphit-Dispersionen, untersucht. Bei diesen Dispersionsschicht-Untersuchungen wurden die für die Abscheidung wichtigsten Parameter bestimmt. Dafür wurden die aus diesen oben genannten Elektrolyten abgeschiedenen Schichten durch folgende Eigenschaften charakterisiert: • Schichtzusammensetzung • Gleiteigenschaften (Reibwerte) • Verschleiß Reibtiefe/Reibbreite) • Mikrohärte • Oberflächenmorphologie • Kontaktübergangswiderstandmessungen. Die abgeschiedenen Schichten zeigten verbesserte Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu Feinsilber, Hartsilber und Silbergraphit. Diese ergaben eine gute Kombination aus der Härte des Hartsilber und der Abriebbeständigkeit von Silbergraphit. Es wurde aber auch eine Erhöhung der Kontaktübergangswiderstände festgestellt.

Die genaue Überwachung von Batteriezuständen wie Entladekapazität ist entscheidend für die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithium-Ionen-basierten Energiespeichersystemen, die in Elektrofahrzeugen oder für stationäre Systeme eingesetzt werden. Die Vorhersage der Etladekapazität einer Zelle durch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Machine-Learning kann eine schnelle Messung des Batteriezustands ohne Einsatz zusätzlicher Sensoren oder zeitaufwändige Leistungsmessungen ermöglichen. Die Untersuchung der Einfluss von Kapazität, Ladezustand und Temperatur auf die EIS-Antwort ist analytisch kompliziert. Daher kommen Machine-Learning-Prozesse zum Einsatz. Vorhersage der Entladekapazität anhand von EIS-Daten eröffnet die neuen Möglichkeiten in der Batterieproduktion, -nutzung und -optimierung. Batteriehersteller können damit den Entwicklungszyklus der Zellen beschleunigen, neue Herstellungsprozesse schneller validieren und neue Zellen nach ihrer erwarteten Lebensdauer sortieren. Darüber hinaus sind Machine-Learning-Ansätze besonders attraktiv für Hochgeschwindigkeits-Betriebsbedingungen. Die Modelle und die Algorithmen, wie Extreme-Gradient-Boosting (XGBoost), sind in der Lage, die Entladekapazität der Zellen über mehreren Zyklen vorherzusagen. In der vorliegenden Masterarbeit wurde den Zusammenhang zwischen Entladekapazität und elektrochemischen Impedanzwerten einer NMC-Knopfzelle während der kalendarischen- und Zyklenlebensdauer untersucht, um zu beurteilen, ob dies zur Grundlage für Qualitätskontrolle der lithiumbasierten CP1254-A3-Zellen dienen kann.

Das wachsende Interesse an zweidimensionalen (2D) Materialien rührt von ihren einzigartigen Eigenschaften her, die eine Integration mit hoher Dichte, einen geringen Stromverbrauch und die Herstellung verschiedener Heterostrukturen mit einem breiten Spektrum an elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften ermöglichen. Die Hysterese in 2D-Materialien hat aufgrund ihres Potenzials für die Implementierung komplexer logischer Operationen und die Nachahmung biologischer Neuronencharakteristika große Aufmerksamkeit erregt, was eine energieeffiziente Datenverarbeitung ermöglicht und die Grenzen der von-Neumann-Computersysteme überwindet. Das Hystereseverhalten in 2D-Materialien ist jedoch komplex und vielfältig und stellt eine Herausforderung für praktische Anwendungen dar. Diese Studie stellt eine umfassende Untersuchung des Hystereseverhaltens von Feldeffekttransistoren (FETs) aus 2D-Materialien vor. Die Forschung konzentriert sich auf die Gewinnung wertvoller Erkenntnisse über die Faktoren, die die Hysterese beeinflussen, und deren Auswirkungen auf 2D-Materialien in FETs. Die Forschung umfasst in erster Linie die Analyse zweier spezifischer Arten von FETs aus 2D-Materialien: MoS2-FETs mit hinterem Gate auf einem SiO2/Si-Substrat und Graphen-Nanoband-FETs (GNR), die aus epitaktisch gewachsenem Graphen auf einem halbisolierenden 4H-SiC-Substrat hergestellt werden. Bei den MoS2-FETs wurden Experimente mit Dünnschicht- und Wenigschicht-Bauelementen durchgeführt, wobei der Bereich, die Rate und die Richtung der Gate-Spannung variiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass größere Sweep-Bereiche und Beleuchtungsbedingungen zu einer erhöhten Hysterese beitragen. Das Hystereseverhalten hängt auch von den anfänglichen Messbedingungen ab, wobei eine größere Hysterese beobachtet wird, wenn mit dem positiven (Ein-Zustand) Startzyklus begonnen wird, verglichen mit dem negativen (Aus-Zustand) Startzyklus. Darüber hinaus deutet eine bemerkenswerte Verschiebung der Schwellenspannung während des Vorwärts-Sweeps (Aus-Zustand zu Ein-Zustand) im Vergleich zum Rückwärts-Sweep (Ein-Zustand zu Aus-Zustand) auf eine Abhängigkeit von der Sweep-Richtung hin. Die Studie zeigt, dass sowohl Grenzflächenfallen als auch Bulkdefekte in der MoS2-Kanalschicht zur Hysterese beitragen, wobei Dünnfilm-FETs eine ausgeprägtere Hysterese aufweisen. Die erhöhte Hysterese in Dünnfilm-MoS2-FETs kann nicht allein auf Grenzflächenfallen zurückgeführt werden, was auf einen erheblichen Beitrag von Bulkdefekten hindeutet. Im Fall von GNR-FETs zeigt die Studie den Einfluss der GNR-Kantenstrukturen (Zickzack und Sessel), der Kanalabmessungen, der Gate-Modulationskonfigurationen und der Kanalpassivierung mit einer hoch-k-dielektrischen Schicht auf die Hysterese. Die Ergebnisse geben Einblicke in die physikalischen Mechanismen, die der Hystereseerzeugung zugrunde liegen, und gehen über die üblicherweise untersuchten Faktoren hinaus. Die Ergebnisse zeigen, dass GNR-FETs in Armchair-Richtung eine stärkere Hysterese aufweisen, die von der Art der GNRs (halbleitend oder metallisch) und ihrer Kantenstruktur beeinflusst wird. Eine Vergrößerung der Einschnürungsbreite von GNRs beschleunigt die Hysterese aufgrund von Variationen der Oberflächenmorphologie und erhöhter Defektdichte. Die Modulation des Side-Gate erzeugt eine größere Hysterese als die Modulation des Top-Gate, und die Passivierung des Kanals mit einer dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert verringert die Hystereseeffekte. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die elektrostatische Kontrolle des Gates und die Wechselwirkungen mit der Umgebungsfeuchtigkeit oder Prozessrückständen das Hystereseverhalten beeinflussen, wenn man bedenkt, dass das Bauelement ursprünglich nicht passiviert war. Insgesamt bietet diese Forschungsarbeit wertvolle Einblicke in die Faktoren, die das Hystereseverhalten in FETs auf 2D-Materialbasis beeinflussen. Die Ergebnisse verdeutlichen die Komplexität und Vielfalt der Hysterese und unterstreichen die Notwendigkeit einer sorgfältigen Optimierung der Herstellungs- und Betriebsbedingungen, um die Leistung und Stabilität dieser Bauelemente in praktischen Anwendungen zu verbessern.

Die Herstellung von Nanodrähten hat aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt. In dieser Studie wurden zwei Ansätze zur Strukturierung im Nanomaßstab für die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten unter Verwendung der Metallentfeuchtung und der Nanosp̈harenlithografie untersucht, um GaN-Nanodraht-Ensembles mit einheitlicher Größenverteilung, Dimensionsmanipulation und großer Fläche zu erhalten.Die Methode der Metallentwässerung umfasst das kontrollierte Ausglühen eines dünnen Metallfilms, die Bildung von 3D-Inseln im Nanomaßstab und das Ätzen von oben nach unten. In dieser Arbeit wurde der Metallentwässerungsprozess erforscht und durch Variation von Parametern wie Glühtemperatur, Glühdauer, Metallfilmdicke und Oberflächenenergie der Entnetzung optimiert, um die gewünschte Nanodrahtgröße zu erreichen. Um die Dimension des hergestellten Nanodraht-Ensembles zu kontrollieren, wurde außerdem digitales Ätzen eingesetzt, um das Verhältnis zwischen Nanodrahtdurchmesser und -abstand zu manipulieren, das durch die Art der Entnetzung bestimmt wird. Dank der optimierten Entnetzungsparameter und des digitalen Ätzens zeigte die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten mit der durch Metallentnetzung gebildeten Maske eine gute Gleichmäßigkeit der Nanodrahtgröße über einen großen Bereich und einen breiten Bereich der Kontrolle über die Abmessungen. Zusätzlich zu den GaN-Nanodraht-Ensembles, die von oben nach unten durch Anwendung der Metallentwässerungsmaske hergestellt werden, wird auch die Nanosphärenlithografie (NSL) erforscht, bei der die Polystyrolkugel als Strukturierungsmaterial verwendet wird, um eine einheitlichere Dimension des GaN-Nanodraht-Ensembles als bei der Metallentwässerungsmethode zu erhalten. Die Abscheidung der Nanokugeln erfolgt mit Hilfe von Spin Coating- und Langmuir-Blodgett-Abscheidungsmethoden, die eine großflächige Monolayer-Abdeckung fördern. Ähnlich wie beim digitalen Ätzen, das für die Metallentwässerung entwickelt wurde, wurde ein Sauerstoffplasma-Ätzverfahren eingeführt, um den Durchmesser und den Abstand der Polystyrolkugeln zu verändern, deren Größe und Form von den hergestellten GaN-Nanodrähten übernommen werden kann. Obwohl das in dieser Arbeit hergestellte Nanodraht-Ensemble noch nicht den Idealfall erreicht hat, macht eine weitere Optimierung der Verarbeitung diese Herstellungsmethode vielversprechend für industrielle Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze zur Metallentnetzung und NSL einfache und skalierbare Vorteile gegen über den konventionellen Lithographiemethoden zur Herstellung von GaN-Nanodrähten mit kontrollierten Abmessungen bieten. Die Herstellung von Nanodrähten hat aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt. In dieser Studie wurden zwei Ansätze zur Strukturierung im Nanomaßstab für die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten unter Verwendung der Metallentfeuchtung und der Nanosphärenlithografie untersucht, um GaN-Nanodraht-Ensembles mit einheitlicher Größenverteilung, Dimensionsmanipulation und großer Fläche zu erhalten.Die Methode der Metallentwässerung umfasst das kontrollierte Ausglühen eines dünnen Metallfilms, die Bildung von 3D-Inseln im Nanomaßstab und das Ätzen von oben nach unten. In dieser Arbeit wurde der Metallentwässerungsprozess erforscht und durch Variation von Parametern wie Glühtemperatur, Glühdauer, Metallfilmdicke und Oberfl̈ achenenergie der Entnetzung optimiert, um die gewünschte Nanodrahtgröße zu erreichen. Um die Dimension des hergestellten Nanodraht-Ensembles zu kontrollieren, wurde außerdem digitales Ätzen eingesetzt, um das Verhältnis zwischen Nanodrahtdurchmesser und -abstand zu manipulieren, das durch die Art der Entnetzung bestimmt wird. Dank der optimierten Entnetzungsparameter und des digitalen Ätzens zeigte die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten mit der durch Metallentnetzung gebildeten Maske eine gute Gleichmäßigkeit der Nanodrahtgröße über einen großen Bereich und einen breiten Bereich der Kontrolle über die Abmessungen. Zusätzlich zu den GaN-Nanodraht-Ensembles, die von oben nach unten durch Anwendung der Metallentwässerungsmaske hergestellt werden, wird auch die Nanosphärenlithografie (NSL) erforscht, bei der die Polystyrolkugel als Strukturierungsmaterial verwendet wird, um eine einheitlichere Dimension des GaN-Nanodraht-Ensembles als bei der Metallentwässerungsmethode zu erhalten. Die Abscheidung der Nanokugeln erfolgt mit Hilfe von Spin Coating- und Langmuir-Blodgett-Abscheidungsmethoden, die eine großflächige Monolayer-Abdeckung fördern. Ähnlich wie beim digitalen Ätzen, das für die Metallentwässerung entwickelt wurde, wurde ein Sauerstoffplasma-Ätzverfahren eingeführt, um den Durchmesser und den Abstand der Polystyrolkugeln zu verändern, deren Größe und Form von den hergestellten GaN-Nanodrähten übernommen werden kann. Obwohl das in dieser Arbeit hergestellte Nanodraht-Ensemble noch nicht den Idealfall erreicht hat, macht eine weitere Optimierung der Verarbeitung diese Herstellungsmethode vielversprechend für industrielle Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze zur Metallentnetzung und NSL einfache und skalierbare Vorteile gegen über den konventionellen Lithographiemethoden zur Herstellung von GaN-Nanodrähten mit kontrollierten Abmessungen bieten. Die Herstellung von Nanodrähten hat aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt. In dieser Studie wurden zwei Ansätze zur Strukturierung im Nanomaßstab für die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten unter Verwendung der Metallentfeuchtung und der Nanosphärenlithografie untersucht, um GaN-Nanodraht-Ensembles mit einheitlicher Größenverteilung, Dimensionsmanipulation und großer Fläche zu erhalten. Die Methode der Metallentwässerung umfasst das kontrollierte Ausglühen eines dünnen Metallfilms, die Bildung von 3D-Inseln im Nanomaßstab und das Ätzen von oben nach unten. In dieser Arbeit wurde der Metallentwässerungsprozess erforscht und durch Variation von Parametern wie Glühtemperatur, Glühdauer, Metallfilmdicke und Oberflächenenergie der Entnetzung optimiert, um die gewünschte Nanodrahtgröße zu erreichen. Um die Dimension des hergestellten Nanodraht-Ensembles zu kontrollieren, wurde außerdem digitales Ätzen eingesetzt, um das Verhältnis zwischen Nanodrahtdurchmesser und -abstand zu manipulieren, das durch die Art der Entnetzung bestimmt wird. Dank der optimierten Entnetzungsparameter und des digitalen Ätzens zeigte die Top-Down-Fertigung von GaN-Nanodrähten mit der durch Metallentnetzung gebildeten Maske eine gute Gleichmäßigkeit der Nanodrahtgröße über einen großen Bereich und einen breiten Bereich der Kontrolle über die Abmessungen. Zusätzlich zu den GaN-Nanodraht-Ensembles, die von oben nach unten durch Anwendung der Metallentwässerungsmaske hergestellt werden, wird auch die Nanosphärenlithografie (NSL) erforscht, bei der die Polystyrolkugel als Strukturierungsmaterial verwendet wird, um eine einheitlichere Dimension des GaN-Nanodraht-Ensembles als bei der Metallentwässerungsmethode zu erhalten. Die Abscheidung der Nanokugeln erfolgt mit Hilfe von Spin Coating- und Langmuir-Blodgett-Abscheidungsmethoden, die eine großflächige Monolayer-Abdeckung fördern. Ähnlich wie beim digitalen Ätzen, das für die Metallentwässerung entwickelt wurde, wurde ein Sauerstoffplasma-Ätzverfahren eingeführt, um den Durchmesser und den Abstand der Polystyrolkugeln zu verändern, deren Größe und Form von den hergestellten GaN-Nanodrähten übernommen werden kann. Obwohl das in dieser Arbeit hergestellte Nanodraht-Ensemble noch nicht den Idealfall erreicht hat, macht eine weitere Optimierung der Verarbeitung diese Herstellungsmethode vielversprechend für industrielle Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze zur Metallentnetzung und NSL einfache und skalierbare Vorteile gegen über den konventionellen Lithographiemethoden zur Herstellung von GaN-Nanodrähten mit kontrollierten Abmessungen bieten.

Die Photovoltaik (PV) liefert einen großen Beitrag zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und bildet eine Grundlage für Klimaneutralität in Deutschland. Umso entscheidender ist es, dass die gewährleistete Lebensdauer der PV-Module von über 25 Jahren erreicht wird und Ausfälle vermieden werden. PV-Module bestehen typischerweise aus Frontglas, Frontverkapselung, Silizium-zellen, Rückseitenverkapselung und Rückseitenfolie. Ein großer Teil der Modulausfälle ist auf das Verkapselungsmaterial zurückzuführen. Als Verkapselungsmaterial werden meist Ethylenvinylacetat-Copolymere (EVA) verwendet, welche mit Additiven versehen sind. Diese schützen das Basispolymer u. a. vor schädlicher UV-Strahlung. Sie haben daher einen maßgeblichen Einfluss auf das Degradations-Verhalten der Verkapselungsfolien und folglich auch auf die Lebensdauer des PV-Moduls. Trotz des großen Potentials für Grenzflächeneffekte und chemische Reaktionen im PV-Modul, werden das Verkapselungsmaterial und die Zusammensetzung der enthaltenen Additive seit fast 40 Jahren unverändert genutzt. Bisher sind jedoch sowohl die Wechselwirkungen im Modul als auch das Degradationsverhalten nur ungenügend erforscht. Um das Degradationsverhalten der Verkapselungsfolien in Abhängigkeit dieser Additive zu untersuchen, wurden Prüfkörperlaminate mit definierten Additiv-zusammensetzungen hergestellt. In diesem Zusammenhang war die Variation der Konzentrationen des UV-Absorbers und des UV-Stabilisators von besonderem Interesse. Um sowohl den Einfluss von Inhomogenitäten in der Additivverteilung als auch das Verhalten der Additive bei Vorhandensein eines Konzentrationsgradienten zu untersuchen, wurden die hergestellten Prüfkörper für 2000 h bei 65 ˚C, 20 % relativer Luftfeuchte und einer integrierten UV-Intensität von 81 W/m2 künstlich gealtert. Nachfolgend wurden an definierten Stellen der Prüfkörper Proben entnommen und vollständig charakterisiert. Mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie, Thermogravimetrischer Analyse und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie wurden die Polymereigenschaften des EVAs bestimmt. Nachfolgende Messungen mittels Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie dienten zur Ermittlung der absolute Additivverteilung. Abschließend wurden ortsaufgelöste 2D-Karten erstellt, welche die ermittelten Polymereigenschaften in Abhängigkeit von der Bewitterungszeit darstellen. Außerdem wurden die Additivwechselwirkungen innerhalb des Ver-kapselungsmaterials analysiert und ein Diffusionsschema angefertigt.