Influence of substrate topography on the growth and magnetic properties of obliquely deposited amorphous nanocolumns of Fe–Ni

We investigated the influence of substrate surface roughness on the structural and magnetic properties of obliquely deposited amorphous nanocolumns of Fe–Ni. Experiments showed that the surface roughness of the substrate greatly determines the morphology of the columnar structures and this in turn has a profound influence on the magnetic properties. Nucleation of Fe–Ni nanocolumns on a smooth silicon substrate was at random, while that on a rough glass substrate was defined by the irregularities on the substrate surface. It has been found that magnetic interaction between the nanocolumns prepared on a silicon substrate was due to their small inter-column separation. Well separated nanocolumns on a glass substrate resulted in exchange isolated magnetic domains. The size, shape and the distribution of nanocolumns can be tailored by appropriately choosing the surface roughness of the substrate. This will find potential applications in thin film magnetism.

Structural And Surface Morphological Investigation Of Formation Stages Of Highly (002) Oriented Zno Films On Glass Substrates By Spray Pyrolysis Method

ZnO thin films were coated on amorphous glass substrate at various temperatures in the range 160-500 0C by spray pyrolysis method. The as deposited films were characterised by using XRD and SEM. Wurtzite phase of ZnO was formed at a substrate temperature of 400 0C, highly oriented (002) phase was developed with respect to increase of substrate temperature from 450 to 500 0C. Morphological and growth mode of these films were analyzed with respect to structural orientation of films from wurtzite to highly (002) oriented phase. Present study reveals that substrate temperature was one of the important parameters which determine the crystalline quality, population of defects, grain size, orientation and morphology of the films

CuInS2/In2S3 Cells using a Cost-effective Technique: Significance of Precursor Ratios on Cell Parameters

Thin film solar cells having structure CuInS2/In2S3 were fabricated using chemical spray pyrolysis (CSP) technique over ITO coated glass. Top electrode was silver film (area 0.05 cm2). Cu/In ratio and S/Cu in the precursor solution for CuInS2 were fixed as 1.2 and 5 respectively. In/S ratio in the precursor solution for In2S3 was fixed as 1.2/8. An efficiency of 0.6% (fill factor -37.6%) was obtained. Cu diffusion to the In2S3 layer, which deteriorates junction properties, is inevitable in CuInS2/In2S3 cell. So to decrease this effect and to ensure a Cu-free In2S3 layer at the top of the cell, Cu/In ratio was reduced to 1. Then a remarkable increase in short circuit current density was occurred from 3 mA/cm2 to 14.8 mA/cm2 and an efficiency of 2.13% was achieved. Also when In/S ratio was altered to 1.2/12, the short circuit current density increased to 17.8 mA/cm2 with an improved fill factor of 32% and efficiency remaining as 2%. Thus Cu/In and In/S ratios in the precursor solutions play a crucial role in determining the cell parameters

New studies on the versatile roles of Polyaniline and its composites in polymer based optoelectronic and energy storage devices

From the early stages of the twentieth century, polyaniline (PANI), a well-known and extensively studied conducting polymer has captured the attention of scientific community owing to its interesting electrical and optical properties. Starting from its structural properties, to the currently pursued optical, electrical and electrochemical properties, extensive investigations on pure PANI and its composites are still much relevant to explore its potentialities to the maximum extent. The synthesis of highly crystalline PANI films with ordered structure and high electrical conductivity has not been pursued in depth yet. Recently, nanostructured PANI and the nanocomposites of PANI have attracted a great deal of research attention owing to the possibilities of applications in optical switching devices, optoelectronics and energy storage devices. The work presented in the thesis is centered around the realization of highly conducting and structurally ordered PANI and its composites for applications mainly in the areas of nonlinear optics and electrochemical energy storage. Out of the vast variety of application fields of PANI, these two areas are specifically selected for the present studies, because of the following observations. The non-linear optical properties and the energy storing properties of PANI depend quite sensitively on the extent of conjugation of the polymer structure, the type and concentration of the dopants added and the type and size of the nano particles selected for making the nanocomposites. The first phase of the work is devoted to the synthesis of highly ordered and conducting films of PANI doped with various dopants and the structural, morphological and electrical characterization followed by the synthesis of metal nanoparticles incorporated PANI samples and the detailed optical characterization in the linear and nonlinear regimes. The second phase of the work comprises the investigations on the prospects of PANI in realizing polymer based rechargeable lithium ion cells with the inherent structural flexibility of polymer systems and environmental safety and stability. Secondary battery systems have become an inevitable part of daily life. They can be found in most of the portable electronic gadgets and recently they have started powering automobiles, although the power generated is low. The efficient storage of electrical energy generated from solar cells is achieved by using suitable secondary battery systems. The development of rechargeable battery systems having excellent charge storage capacity, cyclability, environmental friendliness and flexibility has yet to be realized in practice. Rechargeable Li-ion cells employing cathode active materials like LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4 have got remarkable charge storage capacity with least charge leakage when not in use. However, material toxicity, chance of cell explosion and lack of effective cell recycling mechanism pose significant risk factors which are to be addressed seriously. These cells also lack flexibility in their design due to the structural characteristics of the electrode materials. Global research is directed towards identifying new class of electrode materials with less risk factors and better structural stability and flexibility. Polymer based electrode materials with inherent flexibility, stability and eco-friendliness can be a suitable choice. One of the prime drawbacks of polymer based cathode materials is the low electronic conductivity. Hence the real task with this class of materials is to get better electronic conductivity with good electrical storage capability. Electronic conductivity can be enhanced by using proper dopants. In the designing of rechargeable Li-ion cells with polymer based cathode active materials, the key issue is to identify the optimum lithiation of the polymer cathode which can ensure the highest electronic conductivity and specific charge capacity possible The development of conducting polymer based rechargeable Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling characteristics is a highly competitive area among research and development groups, worldwide. Polymer based rechargeable batteries are specifically attractive due to the environmentally benign nature and the possible constructional flexibility they offer. Among polymers having electrical transport properties suitable for rechargeable battery applications, polyaniline is the most favoured one due to its tunable electrical conducting properties and the availability of cost effective precursor materials for its synthesis. The performance of a battery depends significantly on the characteristics of its integral parts, the cathode, anode and the electrolyte, which in turn depend on the materials used. Many research groups are involved in developing new electrode and electrolyte materials to enhance the overall performance efficiency of the battery. Currently explored electrolytes for Li ion battery applications are in liquid or gel form, which makes well-defined sealing essential. The use of solid electrolytes eliminates the need for containment of liquid electrolytes, which will certainly simplify the cell design and improve the safety and durability. The other advantages of polymer electrolytes include dimensional stability, safety and the ability to prevent lithium dendrite formation. One of the ultimate aims of the present work is to realize all solid state, flexible and environment friendly Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling stability. Part of the present work is hence focused on identifying good polymer based solid electrolytes essential for realizing all solid state polymer based Li ion cells.The present work is an attempt to study the versatile roles of polyaniline in two different fields of technological applications like nonlinear optics and energy storage. Conducting form of doped PANI films with good extent of crystallinity have been realized using a level surface assisted casting method in addition to the generally employed technique of spin coating. Metal nanoparticles embedded PANI offers a rich source for nonlinear optical studies and hence gold and silver nanoparticles have been used for making the nanocomposites in bulk and thin film forms. These PANI nanocomposites are found to exhibit quite dominant third order optical non-linearity. The highlight of these studies is the observation of the interesting phenomenon of the switching between saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA) in the films of Ag/PANI and Au/PANI nanocomposites, which offers prospects of applications in optical switching. The investigations on the energy storage prospects of PANI were carried out on Li enriched PANI which was used as the cathode active material for assembling rechargeable Li-ion cells. For Li enrichment or Li doping of PANI, n-Butyllithium (n-BuLi) in hexanes was used. The Li doping as well as the Li-ion cell assembling were carried out in an argon filled glove box. Coin cells were assembled with Li doped PANI with different doping concentrations, as the cathode, LiPF6 as the electrolyte and Li metal as the anode. These coin cells are found to show reasonably good specific capacity around 22mAh/g and excellent cycling stability and coulombic efficiency around 99%. To improve the specific capacity, composites of Li doped PANI with inorganic cathode active materials like LiFePO4 and LiMn2O4 were synthesized and coin cells were assembled as mentioned earlier to assess the electrochemical capability. The cells assembled using the composite cathodes are found to show significant enhancement in specific capacity to around 40mAh/g. One of the other interesting observations is the complete blocking of the adverse effects of Jahn-Teller distortion, when the composite cathode, PANI-LiMn2O4 is used for assembling the Li-ion cells. This distortion is generally observed, near room temperature, when LiMn2O4 is used as the cathode, which significantly reduces the cycling stability of the cells.

Organic field-effect transistors and phototransistors based on amorphous materials

A comparison between the charge transport properties in low molecular amorphous thin films of spiro-linked compound and their corresponding parent compound has been demonstrated. The field-effect transistor method is used for extracting physical parameters such as field-effect mobility of charge carriers, ON/OFF ratios, and stability. In addition, phototransistors have been fabricated and demonstrated for the first time by using organic materials. In this case, asymmetrically spiro-linked compounds are used as active materials. The active materials used in this study can be divided into three classes, namely Spiro-linked compounds (symmetrically spiro-linked compounds), the corresponding parent-compounds, and photosensitive spiro-linked compounds (asymmetrically spiro-linked com-pounds). Some of symmetrically spiro-linked compounds used in this study were 2,2',7,7'-Tetrakis-(di-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-TAD),2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N'-di-p-methylphenylamino)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-TTB), 2,2',7,7'-Tetra-(m-tolyl-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-TPD), and 2,2Ž,7,7Ž-Tetra-(N-phenyl-1-naphtylamine)-9,9Ž-spirobifluorene (Spiro alpha-NPB). Related parent compounds of the symmetrically spiro-linked compound used in this study were N,N,N',N'-Tetraphenylbenzidine (TAD), N,N,N',N'-Tetrakis(4-methylphenyl)benzidine (TTB), N,N'-Bis(3-methylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine (TPD), and N,N'-Diphenyl-N,N'-bis(1-naphthyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine (alpha-NPB). The photosensitive asymmetrically spiro-linked compounds used in this study were 2,7-bis-(N,N'-diphenylamino)-2',7'-bis(biphenyl-4-yl)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-DPSP), and 2,7-bis-(N,N'-diphenylamino)-2',7'-bis(spirobifluorene-2-yl)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-DPSP^2). It was found that the field-effect mobilities of charge carriers in thin films of symmetrically spiro-linked compounds and their corresponding parent compounds are in the same order of magnitude (~10^-5 cm^2/Vs). However, the thin films of the parent compounds were easily crystallized after the samples have been exposed in ambient atmosphere and at room temperature for three days. In contrast, the thin films and the transistor characteristics of symmetrically spiro-linked compound did not change significantly after the samples have been stored in ambient atmosphere and at room temperature for several months. Furthermore, temperature dependence of the mobility was analyzed in two models, namely the Arrhenius model and the Gaussian Disorder model. The Arrhenius model tends to give a high value of the prefactor mobility. However, it is difficult to distinguish whether the temperature behaviors of the material under consideration follows the Arrhenius model or the Gaussian Disorder model due to the narrow accessible range of the temperatures. For the first time, phototransistors have been fabricated and demonstrated by using organic materials. In this case, asymmetrically spiro-linked compounds are used as active materials. Intramolecular charge transfer between a bis(diphenylamino)biphenyl unit and a sexiphenyl unit leads to an increase in charge carrier density, providing the amplification effect. The operational responsivity of better than 1 A/W can be obtained for ultraviolet light at 370 nm, making the device interesting for sensor applications. This result offers a new potential application of organic thin film phototransistors as low-light level and low-cost visible blind ultraviolet photodetectors.

Synthesis and Characterization of Novel Spiro-Starburst-Structures as Blue Light Emitters and Zeolites

Spiro-starburst-structures with symmetric globular structures in forms of first and second generations that readily form stable amorphous glasses have been synthesized and then characterised in this work. During the synthesis of these materials, possibilities of the extension of the chains of the phenyl rings in 2,2’,7 and 7’-positions of the central core of the spirobifluorene as well as the 2’,7 and 7’-positions of the terminal spirobifluorene units of the spiro-starburst-structures have been investigated so that solubilities and morphologies of the compounds are not negatively influenced. Their morphological properties have been explored by recording their decomposition temperature and glass transition temperature. These compounds possessing two perpendicular arrangement of the two molecular halves show high glass transition temperature (Tg), which is one of the most important parameter indicating the stability of the amorphous state of the material for optoelectronic devices like organic light emitting diodes. Within the species of second generation compounds, for example, 4-spiro3 shows the highest Tg (330 °C) and the highest branching degree. When one [4B(SBF)SBF-SBF 84] or two [4SBFSBF-SBF 79] terminal spirobifluorene units are removed, the Tg decreases to 318 °C and 307 °C respectively. Photo absorption and fluorescence spectra and cyclic voltammetry measurements are taken in account to characterize the optoelectronic properties of the compounds. Spiro-starburst-structures emit radiation in the blue region of the visible spectrum. The peak maxima of absorption and emission spectra are observed to be at higher wavelength in the molecules with longer chromophore chains than in the molecules with shorter chromophore chains. Excitation spectra are monitored with their emission peak maxima. The increasing absorbing species in molecule leads to increasing molar extinction coefficient. In the case of 4B(TP)SBF-SBF 53 and 4B(SBF)SBF-SBF 84, the greater values of the molar extinction coefficients (43*104 and 44*104 L mol-1 cm-1 respectively) are the evidences of the presence of four times octiphenyl conjugation rings and eight times terminal fluorene units respectively. The optical properties of solid states of these compounds in the form of thin film indicate that the intermolecular interaction and aggregation of individual molecules in neat amorphous films are effectively hindered by their sterically demanding structures. Accordingly, in solid state, they behave like isolated molecules in highly dilute solution. Cyclic voltammetry measurements of these compounds show electrochemically reversibility and stability. Furthermore, the zeolitic nature (host-guest) of the molecular sieve of the synthesized spiro-starburst-structures has been analysed by thermogravimetric analysis method.

Organische Mikro- und Nanodrähte auf Basis von Perylendiimiden

Diese Arbeit thematisiert die optimierte Darstellung von organischen Mikro- und Nanodrähten, Untersuchungen bezüglich deren molekularen Aufbaus und die anwendungsorientierte Charakterisierung der Eigenschaften. Mikro- und Nanodrähte haben in den letzten Jahren im Zuge der Miniaturisierung von Technologien an weitreichendem Interesse gewonnen. Solche eindimensionalen Strukturen, deren Durchmesser im Bereich weniger zehn Nanometer bis zu einigen wenigen Mikrometern liegt, sind Gegenstand intensiver Forschung. Neben anorganischen Ausgangssubstanzen zur Erzeugung von Mikro- und Nanodrähten haben organische Funktionsmaterialien aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Verarbeitbarkeit sowie ihrer interessanten elektrischen und optischen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Eine wichtige Materialklasse ist in diesem Zusammenhang die Verbindungsklasse der n-halbleitenden Perylentetracarbonsäurediimide (kurz Perylendiimide). Dem erfolgreichen Einsatz von eindimensionalen Strukturen als miniaturisierte Bausteine geht die optimierte und kontrollierte Herstellung voraus. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde die neue Methode der Drahterzeugung „Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre“ entwickelt, welche auf Selbstassemblierung der Substanzmoleküle aus Lösung basiert und unter dem Einfluss von Lösungsmitteldampf direkt auf einem vorgegebenen Substrat stattfindet. Im Gegensatz zu literaturbekannten Methoden ist kein Transfer der Drähte aus einem Reaktionsgefäß nötig und damit verbundene Beschädigungen der Strukturen werden vermieden. Während herkömmliche Methoden in einer unkontrolliert großen Menge von ineinander verwundenen Drähten resultieren, erlaubt die substratbasierte Technik die Bildung voneinander separierter Einzelfasern und somit beispielsweise den Einsatz in Einzelstrukturbauteilen. Die erhaltenen Fasern sind morphologisch sehr gleichmäßig und weisen bei Längen von bis zu 5 mm bemerkenswert hohe Aspektverhältnisse von über 10000 auf. Darüber hinaus kann durch das direkte Drahtwachstum auf dem Substrat über den Einsatz von vorstrukturierten Oberflächen und Wachstumsmasken gerichtetes, lokal beschränktes Drahtwachstum erzielt werden und damit aktive Kontrolle auf Richtung und Wachstumsbereich der makroskopisch nicht handhabbaren Objekte ausgeübt werden. Um das Drahtwachstum auch hinsichtlich der Materialauswahl, d. h. der eingesetzten Ausgangsmaterialien zur Drahterzeugung und somit der resultierenden Eigenschaften der gebildeten Strukturen aktiv kontrollieren zu können, wird der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Morphologie der Selbstassemblierungsprodukte am Beispiel unterschiedlicher Derivate betrachtet. So stellt sich zum einen die Art der eingesetzten Lösungsmittel in flüssiger und gasförmiger Phase beim Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre als wichtiger Faktor heraus. Beide Lösungsmittel dienen als Interaktionspartner für die Moleküle des funktionellen Drahtmaterials im Selbstassemblierungsprozess. Spezifische Wechselwirkungen zwischen Perylendiimid-Molekülen untereinander und mit Lösungsmittel-Molekülen bestimmen dabei die äußere Form der erhaltenen Strukturen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Molekülstruktur des verwendeten funktionellen Perylendiimids. Es wird der Einfluss einer Bay-Substitution bzw. einer unsymmetrischen Imid-Substitution auf die Morphologie der erhaltenen Strukturen herausgestellt. Für das detaillierte Verständnis des Zusammenhanges zwischen Molekülstruktur und nötigen Wachstumsbedingungen für die Bildung von eindimensionalen Strukturen zum einen, aber auch die resultierenden Eigenschaften der erhaltenen Aggregationsprodukte zum anderen, sind Informationen über den molekularen Aufbau von großer Bedeutung. Im Rahmen der Doktorarbeit konnte ein molekular hoch geordneter, kristalliner Aufbau der Drähte nachgewiesen werden. Durch Kombination unterschiedlicher Messmethoden ist es gelungen, die molekulare Anordnung in Strukturen aus einem Spirobifluoren-substituierten Derivat in Form einer verkippten Molekülstapelung entlang der Drahtlängsrichtung zu bestimmen. Um mögliche Anwendungsbereiche der erzeugten Drähte aufzuzeigen, wurden diese hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften analysiert. Neben dem potentiellen Einsatz im Bereich von Filteranwendungen und Sensoren, sind vor allem die halbleitenden und optisch wellenleitenden Eigenschaften hervorzuheben. Es konnten organische Transistoren auf der Basis von Einzeldrähten mit im Vergleich zu Dünnschichtbauteilen erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeiten präpariert werden. Darüber hinaus wurden die erzeugten eindimensionalen Strukturen als aktive optische Wellenleiter charakterisiert. Die im Rahmen der Dissertation erarbeiteten Kenntnisse bezüglich der Bildung von eindimensionalen Strukturen durch Selbstassemblierung, des Drahtaufbaus und erster anwendungsorientierter Charakterisierung stellen eine Basis zur Weiterentwicklung solcher miniaturisierter Bausteine für unterschiedlichste Anwendungen dar. Die neu entwickelte Methode des Trocknens unter Lösungsmittelatmosphäre ist nicht auf den Einsatz von Perylendiimiden beschränkt, sondern kann auf andere Substanzklassen ausgeweitet werden. Dies eröffnet breite Möglichkeiten der Materialauswahl und somit der Einsatzmöglichkeiten der erhaltenen Strukturen.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle

Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Piezoelectric Ultrasonic Micromotors

This report describes development of micro-fabricated piezoelectric ultrasonic motors and bulk-ceramic piezoelectric ultrasonic motors. Ultrasonic motors offer the advantage of low speed, high torque operation without the need for gears. They can be made compact and lightweight and provide a holding torque in the absence of applied power, due to the traveling wave frictional coupling mechanism between the rotor and the stator. This report covers modeling, simulation, fabrication and testing of ultrasonic motors. Design of experiments methods were also utilized to find optimal motor parameters. A suite of 8 mm diameter x 3 mm tall motors were machined for these studies and maximum stall torques as large as 10^(- 3) Nm, maximum no-load speeds of 1710 rpm and peak power outputs of 27 mW were realized. Aditionally, this report describes the implementation of a microfabricated ultrasonic motor using thin-film lead zirconate titanate. In a joint project with the Pennsylvania State University Materials Research Laboratory and MIT Lincoln Laboratory, 2 mm and 5 mm diameter stator structures were fabricated on 1 micron thick silicon nitride membranes. Small glass lenses placed down on top spun at 100-300 rpm with 4 V excitation at 90 kHz. The large power densities and stall torques of these piezoelectric ultrasonic motors offer tremendous promis for integrated machines: complete intelligent, electro-mechanical autonomous systems mass-produced in a single fabrication process.

Non-linear mechanical behavior of the elastomer polydimethylsiloxane (PDMS) used in the manufacture of microfluidic devices

Polydimethylsiloxane (PDMS) is the elastomer of choice to create a variety of microfluidic devices by soft lithography techniques (eg., [1], [2], [3], [4]). Accurate and reliable design, manufacture, and operation of microfluidic devices made from PDMS, require a detailed characterization of the deformation and failure behavior of the material. This paper discusses progress in a recently-initiated research project towards this goal. We have conducted large-deformation tension and compression experiments on traditional macroscale specimens, as well as microscale tension experiments on thin-film (≈ 50µm thickness) specimens of PDMS with varying ratios of monomer:curing agent (5:1, 10:1, 20:1). We find that the stress-stretch response of these materials shows significant variability, even for nominally identically prepared specimens. A non-linear, large-deformation rubber-elasticity model [5], [6] is applied to represent the behavior of PDMS. The constitutive model has been implemented in a finite-element program [7] to aid the design of microfluidic devices made from this material. As a first attempt towards the goal of estimating the non-linear material parameters for PDMS from indentation experiments, we have conducted micro-indentation experiments using a spherical indenter-tip, and carried out corresponding numerical simulations to verify how well the numerically-predicted P(load-h(depth of indentation) curves compare with the corresponding experimental measurements. The results are encouraging, and show the possibility of estimating the material parameters for PDMS from relatively simple micro-indentation experiments, and corresponding numerical simulations.

Peeling, healing and bursting in a lubricated elastic sheet

We consider the dynamics of an elastic sheet lubricated by the flow of a thin layer of fluid that separates it from a rigid wall. By considering long wavelength deformations of the sheet, we derive an evolution equation for its motion, accounting for the effects of elastic bending, viscous lubrication and body forces. We then analyze various steady and unsteady problems for the sheet such as peeling, healing, levitating and bursting using a combination of numerical simulation and dimensional analysis. On the macro-scale, we corroborate our theory with a simple experiment, and on the micro-scale, we analyze an oscillatory valve that can transform a continuous stream of fluid into a series of discrete pulses.

Corner Flows in Free Liquid Films

A lubrication-flow model for a free film in a corner is presented. The model, written in the hyperbolic coordinate system ξ = x² – y², η = 2xy, applies to films that are thin in the η direction. The lubrication approximation yields two coupled evolution equations for the film thickness and the velocity field which, to lowest order, describes plug flow in the hyperbolic coordinates. A free film in a corner evolving under surface tension and gravity is investigated. The rate of thinning of a free film is compared to that of a film evolving over a solid substrate. Viscous shear and normal stresses are both captured in the model and are computed for the entire flow domain. It is shown that normal stress dominates over shear stress in the far field, while shear stress dominates close to the corner.

Mid-infrared filters for astronomical and remote sensing instrumentation

As improvements to the optical design of spectrometer and radiometer instruments evolve with advances in detector sensitivity, use of focal plane detector arrays and innovations in adaptive optics for large high altitude telescopes, interest in mid-infrared astronomy and remote sensing applications have been areas of progressive research in recent years. This research has promoted a number of developments in infrared coating performance, particularly by placing increased demands on the spectral imaging requirements of filters to precisely isolate radiation between discrete wavebands and improve photometric accuracy. The spectral design and construction of multilayer filters to accommodate these developments has subsequently been an area of challenging thin-film research, to achieve high spectral positioning accuracy, environmental durability and aging stability at cryogenic temperatures, whilst maximizing the far-infrared performance. In this paper we examine the design and fabrication of interference filters in instruments that utilize the mid-infrared N-band (6-15 µm) and Q-band (16-28 µm) atmospheric windows, together with a rationale for the selection of materials, deposition process, spectral measurements and assessment of environmental durability performance.