Oberflächenanalytische Untersuchungen an kohlenstoffbasierten Materialien

Hänsel, Thomas GND

Carbon-based materials are highly relevant for a variety of technical applications in fields such as power engineering, sensor systems, bioelectronics, micro and nano systems as well as for tribological applications. For instance, it might be possible to produce cheap and electrically conductive devices derived from wood-based polymers, which can be used as bipolar plates in direct methanol fuel cells (DMFC). Investigations with photoelectron spectroscopy (XPS, UPS) and electron energy loss spectroscopy (EELS) were conducted to analyze the pyrolysis of cellulose, lignin as well as wood-based polymer compounds. Additionally, the chemical stability against methanol was tested. Results indicate that the base materials after pyrolysis are possible candidates for use in DMFCs. It was also found that the addition of carbon fibers can increase the form stability as well as the conductivity of the matrix material. Contaminations present in the base material could be identified and necessary steps were suggested to remove these from the base material. Studies were performed on nanocrystalline diamond (NCD) coatings, which are very hard and possess high carrier mobilities. In addition, functionalization with appropriate molecules enables these coatings to be used in biocompatible DNA sensor systems. In the latter case, the surface properties play a particularly critical role. Most often, annealing and oxidation steps are used before applying further treatment to the surface. In this context, detailed investigations were performed on the surface functional groups after different annealing and oxidation procedures with high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Annealing up to 1050°C causes complete desorption of hydrogen from the surface. It was also found that the composition of the functional groups at the surface as well as the oxygen/carbon ratio vary. The tribological potential of carbon-based materials was focussed on hydrogen containing amorphous carbon coatings (DLC), which contain a mixture of sp² and sp³ bonds. The investigations of DLC films with HREELS and XPS indicate an enrichment of sp³ carbon at the surface of the DLC coatings.

Kohlenstoffbasierte Materialien sind von hoher technischer Relevanz in der Energietechnik, Sensorik, Bioelektronik, Mikro- und Nanosystemtechnik sowie in der Verschleißschutztechnik. Beispielsweise kann ein holzbasiertes Polymergemisch als kostengünstige Alternative für elektrisch leitfähige Bauelemente genutzt werden und somit als Bipolarplatte in einer Direktmethanolbrennstoffzelle zum Einsatz kommen. Untersuchungen mit Photoelektronenspektroskopie (XPS, UPS) und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) wurden durchgeführt, um die Pyrolyseprozesse an Cellulose, Lignin und holzbasierten Polymergemischen zu verstehen und die Methanolbeständigkeit der Pyrolyseprodukte zu testen. Es hat sich gezeigt, dass Cellulose und Lignin geeignete Kandidaten für die Erstellung solcher Bipolarplatten sind. Ein Einbau von Kohlenstofffasern kann Formstabilität und Leitfähigkeit des Grundmaterials zusätzlich erhöhen. Auftretende Verunreinigungen konnten identifiziert und weitere Prozessschritte konkretisiert werden. Beschichtungen aus nanokristallinem Diamant sind im Fokus aktueller Forschungsarbeiten im Bereich der elektronischen Bauelemente. Durch zusätzliche Funktionalisierungen werden Anwendungen wie biokompatible DNA-Sensoren angestrebt. Damit solche Funktionalisierungen erfolgreich umgesetzt werden können, sind Untersuchungen der Oberflächeneigenschaften unabdingbar. Durch Heiz- und Oxidationsprozesse werden die NCD-Schichten oftmals für weitere Prozessschritte vorbehandelt. Untersuchungen der funktionellen Gruppen an der Oberfläche nach verschiedenen Heiz- und Oxidationsprozessen wurden in dieser Arbeit mit hochauflösender Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS) und XPS durchgeführt. Bei einer Temperatur von 1050°C desorbiert der zuvor gebundene Wasserstoff vollständig. Die Zusammensetzungen der funktionellen Gruppen sowie der Sauerstoffanteil an der Oberfläche variieren je nach Oxidationsprozess. Im Vergleich zu den NCD-Schichten werden amorphe und wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (DLC) als Verschleißschutzschichten verwendet. Die Untersuchungen mit HREELS und XPS ergaben, dass an der Oberfläche von DLC eine Anreicherung der diamantartigen Phase vorliegt.

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Hänsel, Thomas: Oberflächenanalytische Untersuchungen an kohlenstoffbasierten Materialien. 2011.

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