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Simulationsrechnungen zur FTIR-reflexionsspektroskopischen Charakterisierung von Schicht- und Fasersystemen

 
: Grählert, Wulf
: Hopfe, Volkmar; Neuschütz, Dieter

Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2002, 140 pp.
Zugl.: Aachen, TH, Diss., 2002
ISBN: 3-8167-6166-6
ISBN: 978-3-8167-6166-2
German
Dissertation
Fraunhofer IWS ()
Reflexionsspektroskopie; Schichtcharakterisierung; optische Eigenschaft; dielektrische Funktion; Siliciumcarbid; Graphit; optische Anisotropie; Schichtsystem; Simulation; Simulationsmodell

Abstract
Die FTIR-Reflexionsspektroskopie wurde zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Schichtsystemen, keramischen Fasern und Faserverbundmaterialien eingesetzt. Die dazu notwendige Bestimmung der optischen Eigenschaften des Probenmaterials sowie der Parameter des Probenaufbaus ist durch herkömmliche Spektreninterpretation kaum möglich. Erst Spektrensimulationen auf der Basis eines die Probe adäquat beschreibenden optischen Modells ermöglichten es, aus den gemessenen Reflexionsspektren Informationen über die Schichtzusammensetzung und den Probenaufbau zu gewinnen. Im Mittelpunkt der Schichtcharakterisierung standen die durch CVD-Verfahren abgeschiedenen Keramikschichten Siliciumcarbid auf Graphit und Siliciumcarbooxynitrid auf Stahl. Zur Simulation der Reflexionsspektren wurden speziell abgeleitete Gradientenmodelle - basierend auf der Effektiv-Medien-Theorie – sowie Oszillatormodelle verwendet. Die Untersuchung von keramischen Fasern und Faserverbundwerkstoffen erforderte die theoretische Erweiterung der optischen Standardmodelle. So konnte durch die physikalische Beschreibung der Faserkrümmung das IR-Reflexionsspektrum von SiC-Einzelfasern korrekt wiedergegeben werden. Die Ausrichtung von Kohlenstofffasern in einer Polymermatrix wurde durch Erweiterung des optischen Modells auf optisch anisotrope Medien berücksichtigt.

 

The Fourier-Transform-Infrared (FTIR) specular reflection spectroscopy has been applied to non-destructive characterization of layered systems, ceramic fibres and fibre composites. The required finding out of the optical functions of the sample materials as well as of the parameters of the sample topology fails by using conventional spectra interpretations. So only spectra simulations basing on optical models which adequately describe the samples allowed to extract relevant analytical information from measured reflection spectra about topology and composition of the samples. The characterization of layers was focused on ceramic layers - deposited by chemical vapour deposition (CVD) - as silicon carbide (SiC) deposited on graphite substrate and silicon carbooxynitride (SiCxNyOz) deposited on steel substrate. To simulate their corresponding FTIR-reflection spectra special gradient models basing on the effective medium approximation as well as oscillator models had to be developed. The investigation of ceramic fibres and fibre composites required the theoretical extension of the optical standard models. So by taking the curvature of the fibre surface into account in the optical model all features of the FTIR-reflection spectra (using a FTIR-microscope) of SiC-single fibres could be described correctly. Furthermore the alignment of carbon fibres embedded in a polymer matrix has been considered by generalizing of the standard optical model to included anisotrotropic media.

[]
1 Einleitung
2 Zu den theoretischen Grundlagen
2.1 Die FTIR-Reflexionsspektroskopie und ihre gerätetechnische Umsetzung
2.1.1 Methoden und Anwendungen der FTIR-Spektroskopie
2.1.2 Die Fourier-Transformation in der Infrarotspektroskopie und FTIR-Spektrometer
2.1.3 Die Reflexionseinrichtung
2.2 Optische Spektren und die dielektrische Funktion
2.2.1 Die dielektrische Funktion
2.2.1.1 Das Oszillatormodell
2.2.1.2 Das Drudemodell
2.2.1.3 Effektiv-Medien-Modelle zur Beschreibung der dielektrischenFunktion heterogener // Materialien
2.2.2 Berechnung optischer Spektren
2.2.3 Die Bestimmung der dielektrischen Funktion aus gemessenen Reflexionsspektren
2.2.3.1 Die Kramers-Kronig-Transformation
2.2.3.2 Die Dispersionsanalyse
3 Rechentechnische Umsetzung der Theorie der optischen Spektroskopie
3.1 Entwicklung des Programms FIT GSA
3.2 Optimierung der Parameter
3.2.1 Das General-Simulated-Annealing (GSA)-Verfahren zur Suche von globalen // Optima
3.2.1.1 Theoretische Grundlagen
3.2.1.2 Algorithmus undImplementierung einer n-dimensionalen Minimumsuche
3.2.1.3 Anwendung des GSA-Fitalgorithmus auf ein System von Modelloszillatoren
3.2.2 Der Simplex-Algorithmus
4 Reflexionsspektroskopische Untersuchungen von CVD-Schichten
4.1 IR-Reflexionsspektroskopie an rauhen SiC-Schichten auf Graphit
4.1.1 Das SiC/Graphit-Probenmaterial
4.1.2 Messungen der IR-Reflexionsspektren
4.1.3 Simulationen des Reflexionsverhaltens einer rauhen SiC-Schicht auf Graphit
4.1.3.1 Bestimmung der dielektrischen Funktion von Graphit
4.1.3.2 Simulationsberechnungen für SiC-Schichten auf Graphit
4.1.3.3 Fit der gemessenen Probe
4.1.3.4 Das Bergman-Modell
4.2 IR-Reflexionsspektroskopie an SiC N O (H)-Keramikschichten
4.2.1 Das SiC N O (H)-Probenmaterial
4.2.2 Bestimmung der dielektrischen Funktion von SiC N O (H) im infraroten // Spektralbereich
4.2.2.1 FTIR-Reflexionsspektren von SiC N O (H)-Schichten auf Stahlsubstraten
4.2.2.2 Bestimmung der dielektrischen Funktion des Stahlsubstrates
4.2.2.3 Fit der Reflexionsspektren der SiC N O (H)-Schichten
4.2.2.4 Untersuchung des Einflusses der Entladungsleistung auf die Schichteigenschaften
5 IR-reflexionsspektroskopische Untersuchungen keramischer Fasern und Faserverbundwerkstoffe
5.1 Reflexionsspektroskopie an SiC-Einzelfasern
5.1.1 SiC-Fasermaterialien
5.1.2 IR-Reflexionsspektren von SiC-Einzelfasern
5.1.3 Berechnungen zur Simulation der Reflexionsspektren von SiC-Fasern
5.2 Untersuchung des Einflusses der Faserorientierung auf das Reflexionsverhalten // von Faserverbundwerkstoffen
5.2.1 Berechnung des anisotropen Reflexions- und Transmissionsverhaltens von // Schichtsystemen
5.2.1.1 Ableitung des 4x4-Matrixalgorithmus
5.2.1.2 Reflexionsspektroskopische Untersuchungen eines [alpha]-Quarzeinkristalls zur // Verifizierung des 4x4-Matrixalgorithmus
5.2.1.3 Untersuchung des Reflexionsverhaltens von Faserverbundwerkstoffen
6 Zusammenfassung