Rasterelektronenmikroskop mit EDX
Final Report Abstract
Untersuchung der Abtragsrate von Eisen in verschiedenen Flüssigkeiten mit ultrakurzen Laserpulsen: Die Vorteile des Ultrakurzpulslasers können auch zur Oberflächenstrukturierung und -modifikation von Werkstücken in Flüssigkeiten verwendet werden. Um Fragen zur Wechselwirkung zwischen Femtosekundenlaserabtrag und Flüssigkeit zu beantworten, wurden Abtragsversuche an reinem Eisen in Wasser, Methanol, Ethanol, Aceton und Toluol durchgeführt. Es wurde die Abtragsrate, Plasmaemission und Absorption des Laserstrahls bestimmt. Dabei konnte festgestellt werden, dass der Abtrag in Flüssigkeiten ähnlichen Gesetzen wie dem Abtrag in Gasen folgt, jedoch nach der Energieeinkopplung beeinflusst wird. Die Erforschung der Ursachen ist noch Stand weiterer Untersuchungen. Mögliche Erklärungen sind Aufladungseffekte oder Elektronentransfer durch das Metall-Flüssigkeits-Interface. Das REM wird dafür eingesetzt, die Mikrostruktur zu analysieren und insbesondere die chemische Zusammensetzung mittels EDX zu überprüfen. Analyse von additiv hergestellten Bauteilen aus Hochentropielegierungen: Ein Forschungsthema am Lehrstuhl ist das Laserauftragsschweißen von nicht vorlegierten, hochschmelzenden, refraktären, Hochentropielegierungen. Diese bestehen im Kontrast zu üblichen Legierungen nicht aus einem Basiselement, sondern aus einer annähernd äquimolaren Mischung von mindestens vier bzw. fünf Elementen. Verarbeitet wird derzeit eine Pulvermischung aus Ti, Zr, Nb, Hf und Ta. Hochentropielegierungen werden aktuell aufgrund neuer Werkstoffeigenschaften erforscht. Diese ergeben sich nicht nur aus der chemischen Zusammensetzung, sondern ebenfalls aus dem Herstellungsverfahren. Das REM wird eingesetzt, um Textur und Gefüge zu analysieren und insbesondere die chemische Zusammensetzung mittels EDX zu überprüfen, da TiZrNbHfTa- Legierungen mit verschiedenen Kompositionen untersucht werden. Laser Schock-Härten: Die hohe Intensität fokussierter Laserpulse führt in der Nähe des Fokuspunktes zu einer Plasmabildung in Flüssigkeiten, Festkörpern und Gasen. Das schnell expandierende Plasma erzeugt eine Druckwelle, die in der Lage ist, Metall in der unmittelbaren Umgebung zu modifizieren. Plastische Verformung, Versetzungen und Kornverkleinerung führen zu erhöhter Eigenspannung an der Oberfläche. Diese erhöht die mechanische Härte und die Ermüdungsgrenzbelastung. Die Druckwelle, die von ultrakurzen Pulsen erzeugt werden kann, ist um ein vielfaches höher als die der konventionell eingesetzten Nanosekundenlaser. Aufgrund der kleineren Pulsenergie ist diese jedoch lokal begrenzt und klingt vergleichsweise schnell ab. Aus den Ergebnissen dieser Forschung werden sowohl theoretische Grenzwerte für die effektive Laser-Schock-Härtung gewonnen als auch die Anwendung für die Funktionalisierung dünner Schichten und Mikrosysteme untersucht. Modifikation von Oxid-Dünnschichtsystemen: Im Rahmen des SPP 1839 (Tailored Disorder) wird an einem Ultrakurzpulslaser die potentielle Modifikation von aufgedampften Metalloxid-Dünnschichtsystemen untersucht. Ziel ist die Änderung der optischen, elektrischen oder mechanischen Eigenschaften aufgrund von induzierter Unordnung. Die Erzeugung von komplexen Strukturen an Grenzschichten unterschiedlicher Oxide in Form von sog. Ripples, kombiniert mit Säulen hohen Aspektverhältnisses, konnte demonstriert werden. Amorph abgeschiedene Schichten können auf kleinster Fläche mit UKP-Pulsen rekristallisiert werden und die Effizienz von photoelektrochemischen Zellen zur Wasserstoffspaltung konnte durch die Oberflächenvorbehandlung durch den Laser um mehr als 50% gesteigert werden. Das REM dient hierbei der geometrischen Darstellung der Strukturen und das EDX- System ist wichtig in der Bestimmung der Elemente in den Strukturen. Modifikation von Graphen: Im Rahmen des im m-ERA.Net geförderten BMBF-Projektes CMOT „Investigation and tuning of graphene electrodes for solution-processable metal oxide thin-film transistors in the area of low-cost electronics“ wurde mit dem fs-Laser der selektive Abtrag von Monolagen Graphen (MLG) auf verschiedenen Substraten durchgeführt. So konnte MLG auf Silizium Substraten und Quarz Substraten abgetragen werden, ohne das Substrat zu beschädigen. Diese Methode eignet sich daher für die Strukturierung von Graphen, z.B. zur Anwendung als Elektroden. Auch hier dient das REM der Charakterisierung des selektiven Schichtabtrags. Forschungsvorhaben 2-Photonen Polymerisation (2PP) In der 2PP werden neben rein organischen Harzen auch anorganisch-organische Hybridmaterialien eingesetzt um die Eigenschaften und die Auflösung weiter zu verbessern. Für einen technischen Einsatz, z.B. im Bereich von MEMS ist oftmals eine Funktionalisierung erforderlich. Die Einbettung von Kohlenstoffnanoröhrchen in die Mikrostrukturen führt zu elektrisch-leitfähigen Eigenschaften. Magnetische Eigenschaften werden durch Eisennanopartikel innerhalb der Mikrostrukturen realisiert. Durch die hohe Auflösung und die serielle Bearbeitung ist der 2PP-Prozess im Gegensatz zu anderen lithographischen Techniken vergleichsweise langsam. Eine Reduktion der Herstellzeit bzw. eine Prozessbeschleunigung kann mithilfe eines räumlichen Lichtmodulators erfolgen, in dem der Laserstrahl in mehrere Strahlen oder in die Strukturgeometrie selbst aufgeteilt wird. Somit können mehrere gleiche Strukturen simultan oder durch eine direkte Belichtung hergestellt werden. Die Analyse der hergestellten Strukturen erfolgte mit dem REM, welches auch für die Aufnahme von Bildern für Publikationen verwendet wurde.
Publications
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"Laser-based assembler and microfluidic applications" pp. 33-64. In: Jesper Glückstad, Darwin Palima (Hrsg.) Light Robotics - Structure-mediated Nanobiophotonics. 1. Aufl. Elsevier.
Ostendorf, A.; Köhler, J.; Ksouri, S.I.; Zyla, G.; Esen, C.
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Direct metal Deposition of refractory high entropy alloy MoNbTaW. Physics Procedia 83, 624-633 (2016)
Henrik Dobbelstein, Magnus Thiele, Evgeny L. Gurevich, Easo P. George, Andreas Ostendorf
-
Influence of the liquid on femtosecond laser ablation of iron. Physics Procedia 2016, 83, 114–122
Kanitz, A.; Hoppius, J.; Gurevich, E. L.; Ostendorf, A.
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Selective Femtosecond Laser Ablation of Graphene for Its Micro-Patterning. ICALEO Congress Proceedings 2016 - 35th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, San Diego, CA, USA; 10/2016
Kasischke, M.; Maragkaki, S.; Subasi, E.; Ostendorf, A.
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"Optical assembly of microsnap-fits fabricated by twophoton polymerization" Optical Engineering 56, 105105 (2017)
Köhler, J.; Kutlu, Y.; Zyla, G.; Ksouri, S.I.; Esen, C.; Gurevich, E.L.; Ostendorf, A.
-
"Optical screw-wrench for microassebly" Microsystems & Nanoengineering 3, 16083 (2017)
Köhler, J.; Ksouri, S.I.; Esen, C.; Ostendorf, A.
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Development of electrically conductive microstructures based on polymer/CNT nanocomposites via two-photon polymerization. Microelectronic engineering 2017, 179, 48–55
Staudinger, U.; Zyla, G.; Krause, B.; Janke, A.; Fischer, D.; Esen, C.; Voit, B.; Ostendorf, A.
-
Generation of bioinspired structural colors via two-photon polymerization. Scientific Reports 7 (1) (2017)
Zyla, G.; Kovalev, A.; Grafen, M.; Gurevich, E. L.; Esen, C.; Ostendorf, A.; Gorb, S.
-
Impact of liquid environment on femtosecond laser ablation. Applied Physics A 2017, 123 (11), 674_1–674_7
Kanitz, A.; Hoppius, J.; Fiebrandt, M.; Awakowicz, P.; Esen, C.; Ostendorf, A.; Gurevich, E. L.
-
On femtosecond laser shock peening of stainless steel AISI 316, Applied Surface Science, Vol. 435, 2018
Hoppius, J.S.; Kukreja, L.M.; Knyazeva,M.; Pöhl F.; Walther, F.; Ostendorf, A.; Gurevich, E.L.
