fk06: feinwerk- und mikrotechnik
physikalische technik
|
|
Detailanzeige Abschlussarbeit |
hochschule für angewandte wissenschaften - fh münchen fk06: feinwerk- und mikrotechnik physikalische technik |
| Verfasser: | Herr Björn Hellenkamp |
| Studienrichtung: | MNM |
| Titel: | Entwicklung eines LabVIEW basierten Kraftspektrometers für geregelte Kraftmessungen - Lebensdauermessung der Silizium-Kohlenstoff-Bindung |
| Angefertigt bei: | Fachhochschule München, München |
| Erstkorrektor: | Prof. Dr. Clausen-Schaumann |
| Zweitkorrektor: | |
| Datum: | 2009-03-01 |
| Zusammenfassung: | Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein Kraftspektrometer für geregelte Kraftmessungen an einzelnen Molekülen entwickelt, das kommerziellen Geräten in den Aspekten Signal-Rausch-Verhältnis, sowie Zeit- und Wegauflösung überlegen ist und darüber hinaus die Verwendung besonders kleiner und damit rauscharmer Federbalken erlaubt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden mit diesem Kraftspektrometer Lebensdauermessungen an der Silizium-Kohlenstoff-Bindung unter konstanter Zugkraft durchgeführt. Das entwickelte Kraftspektrometer zeichnet sich durch folgende Besonderheiten aus: Die Positionierung des Probentisches erfolgt durch ein kapazitiv geregeltes Piezoelement mit einer Wiederholgenauigkeit von einem Nanometer. Kraft- und Weginformationen werden mit einer 625 KHz-Rate synchron und verlustfrei verarbeitet. Das Gesamtrauschen aller Gerätekomponenten liegt eine Größenordnung unter dem durch thermische Fluktuationen des Federbalkens verursachten Rauschen. Da weichere schwach reflektierende Federbalkenmaterialien in Kombination mit verkleinerten Abmessungen des Federbalkens in Zukunft auch das durch thermische Fluktuationen verursachte Kraftrauschen reduzieren können, wurde eine Kollimatoroptik zur Fokussierung auf einen Spotdurchmesser von drei Mikrometern sowie eine Superlumineszenzdiode mit hohen Intensitäten verwendet. Eine digitale PI-Regelung mit einer Zeitkonstante von 100 Millisekunden ist in der Lage Abstandsänderungen, die durch niederfrequente Gebäudeschwingungen oder mechanische Drifte hervorgerufen werden, durch Nachstellen des Piezoelements zu kompensieren. Des Weiteren wurde eine neue Software in LabVIEW entwickelt, welche die hohen Datenströme synchron und sicher verarbeiten kann. Neben üblichen Programmelementen zur Onlinedarstellung von Kraft-Abstands-Kurven wurden nützliche Werkzeuge entworfen, die zum Beispiel eine intuitive Laserpositionierung ermöglichen. Eine streng modulare und übersichtliche Programmstruktur ermöglicht sowohl Anwendern als auch Entwicklern zukünftige Programmerweiterungen. Die Abstandsmessung des Kraftspektrometers wurde mittels Laserinterferometrie und die Kraftmessung mit Hilfe von kraftspektroskopischen Messreihen eines bekannten molekularen Systems verifiziert. Eine korrekte Funktionalität des Kraftspektrometers konnte damit bestätigt werden. Erste Lebensdauermessungen an der Silizium-Kohlenstoff-Bindung in wässriger Lösung wurden erfolgreich mit dem neu entwickelten Gerät durchgeführt. Dazu wurde ein über Aminosilane gekoppeltes Polysacharid zwischen Federbalken und dem Substrat eingespannt. Wie frühere Messungen ergaben, ist die Si-C Bindung das schwächste Glied innerhalb dieser molekularen Kette. Mit Hilfe der digitalen Regelung konnte die angelegte Kraft konstant gehalten und die dadurch reduzierte Lebensdauer der Si-C Bindung bestimmt werden. Ein softwareseitig implementierter Algorithmus für eine automatisierte Positionierung und den Abriss von unspezifischen Bindungen wurde fehlerfrei ausgeführt. Eine manuelle Steuerung per Handrad arbeitete präzise und zuverlässig. Weiterhin wurde mit Hilfe eines Morse-Potentials und der Arrheniusgleichung eine mathematische Funktion für die kraftabhängige Lebensdauer von kovalenten Bindungen entwickelt. Eine Anpassung dieser Funktion an die gemessenen Lebensdauerwerte mit Hilfe eines Levenberg-Marquardt-Algorithmus begrenzt die drei gesuchten Parameter Dissoziationsenergie, Maximalkraft und Skalierungsfaktor des Arrhenius-Vorfaktors. Bei Maximalkräften zwischen 2000 und 4800 Piconewton variiert die Dissoziationsenergie zwischen 1∙10^-20 und 12∙10^-20 Joule und der Skalierungsfaktor zwischen 10^-13 und 10^-6. Eine Extrapolation der Daten zu kleinen Kräften ergab eine Lebensdauer der Silizium-Kohlenstoff-Bindung ohne äußere Kraft von 10^4 bis 10^8 Sekunden. |