Punktförmige elektrische Ladungen in polymerkristallinen Schichten

Inhaltverzeichnis

  Zusammenfassung  

  Einleitung  

  Der wissenschaftlich-technische Stand  

  Speicherverfahren im Phasenwechselprinzip  

  Speicherverfahren im Ferromagnetschichtprinzip  

  Speicherverfahren nach dem Magnetblasenprinzip  

  Eintragsverfahren in Kunststoffe durch Laser  

  Reversible und löschbare Eintragsverfahren  

  Strukturbetrachtung des Memory-Werkstoffes  

  Meßmethoden und Untersuchungsergebnisse  

  Fertigungsparameter eines PO-MSubstrates  

  Fertigungsparameter eines HDPE-und LDPE-Substrates  

  Parameter zum Eintrag von löschbaren Zeichen  

  Eintragsversuche mittels Laser-Ablation  

  Auswertung der Röntgen-Beugungsanalyse  

  Theoretisches Simulationsverfahren  

  Zusammenstellung der bekannten Parameter  

  Berechnungsgrundlagen eines punktförmigen  

  elektrischen Feldes und der Coulombsche Kraftbegriff  

  Der Feldbegriff  

  Die elektrische Feldstärke  

  Das Linienintegral der elektrischen Feldstärke des Potentials und der Spannung  

  Die elektrische Verschiebung einer Punktladung  

  Materie im elektrostatischen Feld  

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Materieverhalten elektrischer Leiter Influenz Materieverhalten elektrischer Nichtleiter Polarisation Literaturnachweis Autorenporträt

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Zusammenfassung

Die folgende Arbeit untersucht bekannte Verfahren zur Herstellung von Memory- Zeichen in Kunststoffträgern und entwickelt im Ergebnis derselben einen Ansatz zu Realisierung derartiger Einträge mittels eines punktförmigen elektrischen Feldes, welches exakt fokussiert wie ein „Ladungshammer“ in einem speziellen polymer- kristallinen Substratträger gezielt Deformationen im Nanometer-Bereich einbringen kann, die aufgrund des Werkstoffverhaltens wieder gelöscht werden können. Für die Lösung dieser Aufgabe werden werkstoff- und verfahrenstechnische Wege darges- tellt. Die gesamte Arbeit hat einen Umfang von 102 Seiten und enthält alle versuchs- technisch ermittelten Werte in Diagrammen, Tabellen, Zeichnungen und Berechnun- gen. Dieser Teil stellt einen wichtigen theoretischen Teil des Ganzen dar.

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Einleitung

Die vorliegende Arbeit ist ein Teilstück einer Arbeit, welche der Autor vor einigen Jahren anfertigte, jedoch nicht publizierte. Dennoch ist der Kern derselben für einen Studenten zweifelsohne von Nutzen, so dass sich der Autor entschloss diesen Teil zu publizieren. Die Informationsverarbeitung in der Kommunikations-und Datenüber- tragung ist eng an die Speicherkapazität der verfügbaren Hardware gekoppelt. Die führenden High-Tech-Unternehmen der Welt arbeiten daher mit höchster Intensität an der Entwicklung neuer und effizienter Speichermedien. Neben den Halbleiterspei- chern haben sich Magnet-und Bubblespeicher, sowie inte-grierte optische Speicher- werkstoffe auf dem Markt etabliert. Besonders die Entwicklung reversibler optischer Informationsspeicher hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Magneto- optische Speicher, Phasenwechselspeicher (phase change) usw. sind bereits zu ei- nem industriellen Massenprodukt entwickelt worden. Neben der Methode durch La- serablation in eine Oberfläche Lochmarkierungen, als Information zu erzeugen, gibt es auch Versuche diese Markierungen durch Erwärmen wieder zu löschen. Partielles Erwärmen von unterschiedlichen Schichtdomänen führte dabei zu einer thermo- mechanischen Deformation und zu einem reversiblen Speicherverhalten. Im Markt- segment der Speichertechnik trug, als revolutionierendste Innovation, die CD (com- pact disk) den Sieg davon. Die erreichten Speicherkapazitäten basieren auf den, mit einem eng fokussierten Laserstrahl erzeugten Vertiefungen in der Kunststoffscheibe, wobei die Auslesung der digitalen Signale durch die optische Bewertung der Intensi- tätsschwankungen des reflektierten Laserdiodenlichtes geschieht. Dennoch haftete dieser großartigen Entwicklung ein entscheidender Nachteil an: die fehlende Lösch- barkeit der eingebrachten Informationen und damit die uneingeschränkte Wiederver- wendbarkeit des Speichers. Die CD ist lediglich ein ROM-Speicher. Aus technischen, vor allem aber aus wirtschaftlichen Erwägungen nimmt die Entwicklung von Spei- chermedien aus polymeren Kunststoffen stetig zu. Vorteilig gegenüber den Halblei- terspeichern ist die Unempfindlichkeit derselben gegenüber elektrostatischen und elektromagnetischen Streu- bzw. Störfeldern. Die Mehrzahl der zu bearbeitenden technischen oder kommerziellen Vorgänge wandeln analoge Eingangs-Signale in digitale Signale um, so dass die Vorteile eines billigen, störsicheren, löschbaren und kapazitiv hohen Speichers aus Kunststoff offensichtlich sind. Die vorliegende Unter- suchung befasst sich daher mit der Entwicklung und Beschreibung eines polymer- kristallinen Kunststoffspeichers der durch seinen speziellen Aufbau Memory-

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Eigenschaften aufweist und entwickelt darüber hinaus ein praktikables und technisch realisierbares Verfahren zum Eintrag und zur Löschung von Zeichen mittels eines punktförmigen, elektrischen Feldes in einen solchen Speicher.

Der wissenschaftlich – technische Stand

Die Notwendigkeit Versuche mit Kunststoffen als Informationsträger durchzuführen, leitet sich aus der Annahme ab, dass ein Werkstoffverhalten wie es bei Memory- Metall-Legierungen im Atomgitterbereich bekannt ist, ebenso auch bei molekularen Strukturen zu erzeugen wäre. Außerdem ist ein solcher Kunststoffspeicher wesent- lich billiger als andere Werkstoffe mit Atomgitterstruktur. Im Fertigungsprozess, z.B. der Compact Disk werden in eine Kunststoffscheibe die mit einer dünnen Metallisie- rung versehen ist, mithilfe eines eng gebündelten Laserstrahles Löcher in diese Schicht gebrannt. Die Anordnung der dabei entstehenden „Informationsgruben“ er- folgt kreisförmig, als archimedische Spirale. Die Auslesung der Signale geschieht optisch, wobei die Unterscheidung in Grube-Nichtgrube, also in Low-High-Pegeln der Intensitätsschwankung des rückgestreuten Lichtes proportional ist. Nachteilig an den erzeugten Informationsspeichern ist zum einen die fehlende Möglichkeit einen sol- chen Speicher auf geeignete Weise löschen zu können und zum anderen sind für das Verdampfen des Werkstoffes hohe Energiedichten des Lasers erforderlich. Dem gegenüber haben organische Werkstoffe den Vorteil einer wesentlich niedrigeren Schmelztemperatur, sie sind korrosionsbeständig und ihr Marktpreis ist geringer. Diese Aspekte, verbunden mit dem einer einfach durchzuführenden Löschbarkeit war Veranlassung, sich stärker mit Untersuchungen zur Erzeugung von Memory-Zeichen in polymeren Strukturen zu befassen. Dabei dienten die vielfältigen Bestrebungen und experimentellen Arbeiten auf diesem Gebiet dazu, durch Mischen verschiedener organischer Komponenten und Verfahrensweisen Werkstoffe zu erzeugen die das gewünschte Memory-Verhalten aufweisen und vor allem löschbar waren. Als Bin- demittel diente dazu ein organischer Farbstoff, welcher die Eigenschaft aufwies nur eine definierte Wellenlänge des Lichtes zu absorbieren. Dieser Farbstoff wurde zu- sammen mit dem Träger-Kunststoff nach der Spincoating-Methode auf eine reflektie- rende Oberfläche aufgetragen. Dabei bildete sich eine dünne Schicht im Dickenbe- reich von 30-300 nm die relativ homogen in ihrer Verteilung war. Ein auf diese Schicht fokussierter Laserstrahl erhitzte die stark lichtabsorbierenden Farbpartikel

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und verdampft diese, wobei Lochmarkierungen entstanden. Mit einem solchen Mar- kierungsverfahren lassen sich Informationsgruben der Größenordnung von 2...1 m realisieren, wobei die erforderliche Ausgangsleistung des Lasers bei ca. 10 mW und die Eintragsdauer bei ca. 200 ns liegt. Die Eintragsenergie des Laserstrahles (thres- hold energy) beträgt zwischen 10,0...0,2 nJ. Der technische Vorgang des Eintrags von Markierungen oder Zeichen mittels Laser-Energie in dünne Kunststoffschichten wurde von KÄMPF 1 ausführlich beschrieben, wobei auch quantitative Messungen zum Werkstoffverlust durch das Verdampfen aufgeführt sind. Dieser betrug insge- samt etwa 40-50% des Trägerwerkstoffes. Die dabei auftretende Temperaturerhö- hung an den Gruben lag bei 1500...2000° Celsius. Erhöhte man die Eintragszeit der Gruben auf >500 ns, dann konnte man die Temperatur auf etwa 700° Celsius ab- senken und dabei beobachten, dass die Gruben allein durch die auftretende Tempe- ratur-Spannungsdifferenz der Oberflächen erzeugt wurden. 2

Die damit erreichten Einträge sollten in ihrer Reproduzierbarkeit jedoch nicht über- bewertet werden. Einen Zusammenhang zwischen der Eintragsfähigkeit der Zeichen und den im Polymer gebundenen Farbstoffen wird bei LAW und weiteren Autoren in der Art und Weise gesehen, dass bei sehr kurzen Eintragszeiten von etwa 8 ns und einer Eintragsenergie von ca. 0,1 mJ für das zu erzielende Ergebnis das vorhandene Lichtabsorptionsvermögen und dessen Konzentration im polymeren Verband eine wichtige Rolle spielt. 3

Die Parameter des Polymers haben dabei nur eine untergeordnete Bedeutung. Auf den Zusammenhang zwischen der erforderlichen Eintragsenergie und der Schichtdi- cke wies WROBEL bereits hin, indem er feststellte, dass „bei dünnen Schichten die Wärme schneller an das Substrat abgeführt wird. Deshalb kühlt die Schmelze auch schneller ab und verhindert somit das Zurückfließen des Werkstoffes.“ 4 1 vgl. Kämpf, G.: Polym. Eng. Sci. 278 (1987) S.1421 – 1434 2 vgl. Chung, Tai – Shung: J. Appl. Phys. 60 (1986) S.5 – 60 3 vgl. Law, Kock –Yee u. Johnson, Gordon E.: J. Appl. Phys. 54 (1983) S. 4799 – 4805 4 vgl. Wrobel,J.J.; Marchant, A.B. und Howe,D.G. : Appl. Phys. Lett. 40 (1982) S. 928 – 930

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