dc.contributor.author
Kock, Matthias
dc.date.accessioned
2018-06-08T00:49:24Z
dc.date.available
2004-05-12T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/12505
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-16703
dc.description
Titelblatt, Inhalt, Zusammenfassung, Abstract, Danksagung
1\.
Einleitung
1
2\.
Methode
7
3\.
Experimentelle Umsetzung
17
3.1
Aufbau
17
3.2
Werkzeugelektroden
25
3.3
Probenpräparation
28
3.4
Durchführung
29
4\.
Wahl der elektrochemischen Parameter zur Mikrostrukturierung
31
4.1
Anforderungen an ein ideales Material/Elektrolyt-System zur elektrochemischen
Mikrostrukturierung
31
4.2
Wahl der elektrochemischen Parameter am System Nickel/HCl
32
4.3
Gegenreaktion der Metallauflösung
35
4.4
Parameterwahl am System Gold/Chlorid
38
5\.
Grenzen der Ortsauflösung
41
5.1
Was bestimmt die Ortsauflösung und ihre Grenzen?
41
5.2
Die Ausdehnung der elektrochemischen Doppelschicht
43
5.3
Verarmung des Elektrolyten an Ionen während der Doppelschicht-Umladung
44
5.4
Ortsauflösung bei Pulslängen tP >2 ns
47
5.5
Die 5\. Elektrode
49
5.6
Experimentelle Grenzen der Ortsauflösung
51
5.7
Zusammenfassung
53
6\.
Abformung komplexer Werkzeugelektroden
55
6.1
Strukturierte Stempel
56
6.2
Materialtransport im Arbeitsspalt
58
6.3
Maximale Größe der Werkzeugelektrode
65
6.4
Zusammenfassung
69
7\.
Mikrostrukturierung passivierender Metalle
71
7.1
Elektrochemie von Edelstahl
71
7.2
Transpassive Bearbeitung von Edelstahl
74
7.3
Chemische Hemmung der Ausbildung einer Passivschicht
77
7.4
Elektrochemische Reduktion der Passivschicht
80
7.5
Zusammenfassung
84
8\.
Mikrostrukturierung mittels schwacher Elektrolyte
87
8.1
Modell
87
8.2
Elektrochemie des Systems Werkzeugstahl/Essigsäure
88
8.3
Erste experimentelle Ergebnisse zur Mikrostrukturierung mit ultrakurzen
Spannungspulsen
89
8.4
Ausblick
92
9\.
Anwendungen
93
9.1
Punktlichtquelle für Röntgenstrahlen
93
9.2
Anregung von Oberflächenplasmonen
98
10\.
Zusammenfassung
105
Literatur
109
dc.description.abstract
Eine treibende Kraft des technischen Fortschritts beispielsweise in der
Biotechnologie, der Automobil- oder Computerindustrie ist die Möglichkeit der
Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Die benötigte Materialvielfalt
bedingt unterschiedliche Strukturierungsverfahren, die jedoch nicht immer
optimale Ergebnisse liefern. Ein neues Verfahren mit einem großen Potential
ist die elektrochemische Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen,
dessen Möglichkeiten und Grenzen in der vorliegenden Arbeit untersucht werden.
Bei diesem verfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Ladezeit der
elektrochemischen Doppelschichtbereiche von Werkzeug- und Werkstückelektrode
bei einem Potentialpuls von deren Abstand im Elektrolyten abhängt. Durch die
Anwendung von ultrakurzen Spannungspulsen in der Größenordnung von
Nanosekunden erfolgt eine effektive Umladung der Doppelschichten nur in
Bereichen, wo sich die beiden Elektroden in kleinem Abstand gegenüber stehen.
Aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit der elektrochemischen Reaktionsrate
von der Höhe des Spannungsabfalls über der elektrochemischen Doppelschicht
wird so die Auflösungsreaktion des Werkstückmaterials auf den Nahbereich des
Spaltes zwischen den beiden Elektroden beschränkt. In der vorliegenden Arbeit
wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass die Grenze der Ortsauflösung
der elektrochemischen Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen bei
ca. 10 nm liegt. Zur experimentellen Überprüfung bedarf es eines
wohlüberlegten Designs des mechanischen aber auch des elektrischen Aufbaus, da
bis zu 200 ps kurze Spannungspulse verwendet werden müssen. Gezeigt wird in
Nickel eine Ortsauflösung von 40 nm, die in Gold auf ca. 20 nm verbessert
werden konnte. Neben der in der Regel sequentiellen Strukturierung mittels
einer feinen, zylindrischen Werkzeugelektrode wird zusätzlich die Abformung
eines komplex geformten Werkzeuges in einem Arbeitsschritt demonstriert.
Hierbei werden selbst 90 nm kleine Strukturdetails übertragen. Fragen nach der
Diffusionsgeschwindigkeit von Reaktionsprodukten und -edukten aus dem
Elektrodenspalt heraus, sowie nach der durch elektronische Limitierungen
eingeschränkten Werkzeuggröße, werden anhand einiger Abschätzungen behandelt.
Am Beispiel des Edelstahls werden unterschiedliche Ansätze zur
Mikrostrukturierung passivierender Metalle gezeigt. Die Zerstörung der, einer
Bearbeitung entgegenstehenden, passivierenden Oxidschicht ist durch einen
aggressiven Halogenidelektrolyten möglich. Zusätzlich wird die lokalisierte
elektrochemische Reduktion dieses Oxids durch Anwendung von ultrakurzen
Spannungspulsen gezeigt. Mit einem neuartigen Target für ein
Röntgenprojektionsmikroskop und mit einer Subwellenlängenstruktur, an welcher
Oberflächenplasmonen als Photonen auskoppeln, werden zwei Anwendungen der
elektrochemischen Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen
vorgeführt.
de
dc.description.abstract
The possibility of micro- and nanostructuring is a driving force of technical
progress in biotechnology, automotive- and computer industries. The variety of
materials in these applications demands different methods of structuring,
which do not always provide optimal results. Electrochemical microstructuring
with ultrashort voltage pulses is a new technique, the possibilities and
limitations of which will be investigated in this thesis. The method is based
on the fact that when a potential pulse is applied, the charging time of the
electrochemical double layer regions of tool and workpiece depends on their
distance in the electrolyte. Through application of ultrashort voltage pulses,
in the range of nanoseconds, effective charging of the double layers will only
appear in regions of tool and workpiece in close proximity to each other. Due
to the exponential dependence of electrochemical reaction rates on the
potential drop in the double layer, occurring reactions are sharply confined
to those charged regions. In this thesis it will be shown experimentally and
theoretically that a spatial resolution of approximately 10 nm can be achieved
by the electrochemical microstructuring with ultrashort voltage pulses. The
experimental verification demands a well designed mechanical as well as
electrical setup, which can handle the 200 ps voltage pulses, necessary to
achieve such spatial resolution. A spatial resolution of 40 nm was
experimentally achieved in nickel, and could be improved to 20 nm in gold. In
addition to a normally employed sequential structuring by a small cylindrical
tool, single-step processing of a complex patterned tool is demonstrated. This
even allowed copying of small details in the order of 90 nm. Estimations of
the transport of reaction products and educts by diffusion in the electrode
gap were made. The maximum size of the tool due to basic electronic
limitations was also estimated. In the example of stainless steel, different
approaches for microstructuring of passivating metals will be shown. A
formation of the passivating oxide layer, which inhibits the machining, can be
prevented with an aggressive halogenide electrolyte. Furthermore, the local
electrochemical reduction of the oxide by application of short voltage pulses
will be presented. A new target for an x-ray projection microscope and a
subwavelength structure, for coupling surface plasmons to radiation, are shown
as two applications of the electrochemical microstructuring of ultrashort
voltage pulses.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Micromachining
dc.subject
Microstructure
dc.subject
Short voltage pulses
dc.subject
Doublelayer charging
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
dc.title
Grenzen und Möglichkeiten der elektrochemischen Mikrostrukturierung mit
ultrakurzen Spannungspulsen
dc.contributor.firstReferee
Dr. habil. Rolf Schuster
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Helmut Baumgärtel
dc.date.accepted
2004-05-06
dc.date.embargoEnd
2004-06-07
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2004001154
dc.title.translated
Limitations and Possibilities of the Electrochemical Microstructuring with
Ultrashort Voltage Pulses
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000001281
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2004/115/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000001281
dcterms.accessRights.dnb
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open access