Punktförmige elektrische Ladungen

in polymerkristallinen Schichten

Die Herstellung von Memoryzeichen

von

Bernd Staudte

2008

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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 POM-Substrates

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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