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 polymerkristallinen 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 dargestellt.
Auf einen Blick
- Eigene Eintrags- und Löschversuche mit Laser und mechanischer Nadel
- Eigene Herstellung eines quarzgefüllten Substrats aus Hostaform C 9021
- Theoretischer Ansatz für den Zeicheneintrag mittels Rastertunnelmikroskop und Titansonde
- Beispielrechnung zur Dimensionierung der Eintragsparameter
- 15 Quellen im Literaturverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung
2. Einleitung
3. Der wissenschaftlich-technische Stand
4. Speicherverfahren im Phasenwechselprinzip
5. Speicherverfahren im Ferromagnetschichtprinzip
6. Speicherverfahren nach dem Magnetblasenprinzip
7. Eintragsverfahren in Kunststoffe durch Laser
8. Reversible und löschbare Eintragsverfahren
9. Strukturbetrachtung des Memory-Werkstoffes
10. Meßmethoden und Untersuchungsergebnisse
11. Fertigungsparameter eines POM-Substrates
12. Fertigungsparameter eines HDPE-und LDPE-Substrates
13. Parameter zum Eintrag von löschbaren Zeichen
14. Eintragsversuche mittels Laser-Ablation
15. Auswertung der Röntgen-Beugungsanalyse
16. Theoretisches Simulationsverfahren
17. Zusammenstellung der bekannten Parameter
18. Berechnungsgrundlagen eines punktförmigen elektrischen Feldes und der Coulombsche Kraftbegriff
19. Der Feldbegriff
20. Die elektrische Feldstärke
21. Das Linienintegral der elektrischen Feldstärke, des Potentials und der Spannung
22. Die elektrische Verschiebung einer Punktladung
23. Materie im elektrostatischen Feld
24. Materieverhalten elektrischer Leiter
25. Influenz
26. Materieverhalten elektrischer Nichtleiter
27. Polarisation
28. Autorenporträt
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit untersucht, wie sich löschbare Speicherzeichen in polymerkristalline Kunststoffoberflächen einbringen lassen. Im Mittelpunkt steht die Frage, ob ein punktförmiges elektrisches Feld eine reversible Oberflächenverformung für die Informationsspeicherung erzeugen kann. Der vorliegende Text ist ein veröffentlichter Teil einer umfangreicheren Arbeit.
- Verfahren der optischen und magnetischen Datenspeicherung
- Aufbau quarzgefüllter polymerer Speicherwerkstoffe
- Mechanischer und laserbasierter Eintrag von Markierungen
- Untersuchung von Oberflächen und Kristallisationszuständen
- Theoretischer Ansatz für punktförmige elektrische Felder
Auszug aus dem Buch
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 wesentlich billiger als andere Werkstoffe mit Atomgitterstruktur. Im Fertigungsprozess, z.B. der Compact Disk werden in eine Kunststoffscheibe die mit einer dünnen Metallisierung versehen ist, mithilfe eines eng gebündelten Laserstrahles Löcher in diese Schicht gebrannt. Die Anordnung der dabei entstehenden „Informationsgruben“ erfolgt 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 solchen 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 Bindemittel diente dazu ein organischer Farbstoff, welcher die Eigenschaft aufwies nur eine definierte Wellenlänge des Lichtes zu absorbieren. Dieser Farbstoff wurde zusammen mit dem Träger-Kunststoff nach der Spincoating-Methode auf eine reflektierende Oberfläche aufgetragen. Dabei bildete sich eine dünne Schicht im Dickenbereich von 30-300 nm die relativ homogen in ihrer Verteilung war. Ein auf diese Schicht fokussierter Laserstrahl erhitzte die stark lichtabsorbierenden Farbpartikel und verdampft diese, wobei Lochmarkierungen entstanden. Mit einem solchen Markierungsverfahren lassen sich Informationsgruben der Größenordnung von 2...1 µm realisieren, wobei die erforderliche Ausgangsleistung des Lasers bei ca. 10 mW und die Eintragsdauer bei ca. 200 ns liegt. Die Eintragsenergie des Laserstrahles (threshold energy) beträgt zwischen 10,0...0,2 nJ.
Zusammenfassung der Kapitel
Zusammenfassung: Der Autor umreißt die Untersuchung von Speicherzeichen in Kunststoffen und den Ansatz eines punktförmigen elektrischen Feldes.
Einleitung: Die Einleitung erläutert den Bedarf an löschbaren Kunststoffspeichern und formuliert das Vorhaben.
Der wissenschaftlich-technische Stand: Dieser Abschnitt behandelt Grundlagen und bestehende Arbeiten zur Erzeugung von Speicherzeichen in polymeren Schichten.
Speicherverfahren im Phasenwechselprinzip: Beschrieben werden optische Speicher, die zwischen amorphen und kristallinen Zuständen wechseln.
Speicherverfahren im Ferromagnetschichtprinzip: Der Abschnitt erklärt die Informationsspeicherung in magnetisierbaren Dünnschichten.
Speicherverfahren nach dem Magnetblasenprinzip: Vorgestellt werden Erzeugung, Bewegung und Auslesen magnetisierter Bereiche in einem Speicher.
Eintragsverfahren in Kunststoffe durch Laser: Der Text erläutert eine optische Bewertungsmöglichkeit für Einträge anhand von Reflexion und Interferenz.
Reversible und löschbare Eintragsverfahren: Beispiele aus der Fachliteratur veranschaulichen das wiederholte Eintragen und Löschen durch Wärmeeinwirkung.
Strukturbetrachtung des Memory-Werkstoffes: Behandelt werden Gemische aus Polyethylen und Quarzpartikeln sowie mögliche Zusammenhänge zwischen Struktur und Oberflächenverhalten.
Meßmethoden und Untersuchungsergebnisse: Der Autor beschreibt Infrarotspektroskopie und Beugungsmessung zur Untersuchung der Substratoberfläche.
Fertigungsparameter eines POM-Substrates: Dargestellt werden die Verarbeitung von POM und Quarzmehl sowie die Herstellung eines Substrats.
Fertigungsparameter eines HDPE-und LDPE-Substrates: Der Abschnitt beschreibt das Mischen und Extrudieren quarzgefüllter Polyethylene.
Parameter zum Eintrag von löschbaren Zeichen: Mechanische Versuche mit einer feinen Nadel dienen zur Prüfung der Substratoberfläche.
Eintragsversuche mittels Laser-Ablation: Der Autor beschreibt Versuche mit zwei Lasern und mechanischen Einträgen sowie deren Grenzen.
Auswertung der Röntgen-Beugungsanalyse: Beugungsbanden und eine Berechnungsbeziehung werden zur Betrachtung des Kristallisationszustands herangezogen.
Theoretisches Simulationsverfahren: Der Abschnitt formuliert die Ziele eines elektrischen Eintragsverfahrens und einer darauf bezogenen Beispielrechnung.
Zusammenstellung der bekannten Parameter: Werkstoff-, Geometrie- und Eintragsparameter bilden die Grundlage für den anschließenden mathematischen Ansatz.
Berechnungsgrundlagen eines punktförmigen elektrischen Feldes und der Coulombsche Kraftbegriff: Eingeführt werden Punktladungen und die Kraftwirkung nach dem Coulombschen Gesetz.
Der Feldbegriff: Der Text erläutert das elektrische Feld und die Vorstellung eines punktförmigen Feldes.
Die elektrische Feldstärke: Feldstärke und Kraftwirkung auf eine Ladung werden anhand von Gleichungen dargestellt.
Das Linienintegral der elektrischen Feldstärke, des Potentials und der Spannung: Der Abschnitt führt Arbeit, Potential und Spannung im elektrostatischen Feld ein.
Die elektrische Verschiebung einer Punktladung: Verschiebungsflussdichte und Fluss durch Flächen werden mathematisch beschrieben.
Materie im elektrostatischen Feld: Der Autor unterscheidet Stoffe nach ihrem Verhalten im elektrischen Feld in Leiter und Nichtleiter.
Materieverhalten elektrischer Leiter: Behandelt werden freie Ladungsträger und die Ladungstrennung in einer Elektrode.
Influenz: Der Abschnitt beschreibt die Verschiebung freier Ladungen unter dem Einfluss eines äußeren Feldes.
Materieverhalten elektrischer Nichtleiter: Erläutert wird die Verschiebung gebundener Ladungen in Nichtleitern.
Polarisation: Der Text unterscheidet Elektronen-, Ionen- und Orientierungspolarisation.
Autorenporträt: Das Porträt stellt den beruflichen und publizistischen Hintergrund des Autors vor.
Schlüsselwörter
Memory-Zeichen, Datenspeicherung, Kunststoffspeicher, polymerkristalline Schichten, Polyethylen, Quarzpartikel, Laserablation, reversible Verformung, elektrisches Feld, Punktladung, Infrarotspektroskopie, Röntgenbeugung, Rastertunnelmikroskop
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit?
Sie befasst sich mit löschbaren Speicherzeichen in polymerkristallinen Kunststoffschichten und einem theoretischen elektrischen Eintragsverfahren.
Welche Themenfelder stehen im Mittelpunkt?
Behandelt werden Speichertechniken, polymere Werkstoffe, Eintragsversuche, Oberflächenanalysen und elektrostatische Grundlagen.
Welches Ziel verfolgt der Autor?
Er untersucht einen Kunststoffspeicher mit Memory-Eigenschaften und entwickelt einen Ansatz zum Eintragen und Löschen von Zeichen mithilfe eines punktförmigen elektrischen Feldes.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Der Text verbindet die Auswertung bestehender Fachliteratur mit Versuchen zur Substratherstellung und zum Zeicheneintrag. Hinzu kommen spektroskopische und beugungsanalytische Untersuchungen sowie ein theoretischer Berechnungsansatz.
Was behandelt der Hauptteil?
Er beschreibt verschiedene Speicherprinzipien, die Herstellung und Untersuchung gefüllter Kunststoffsubstrate sowie die Grundlagen eines möglichen elektrischen Eintragsverfahrens.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Dazu gehören Memory-Zeichen, Polyethylen, Quarzpartikel, Laserablation, reversible Verformung und punktförmiges elektrisches Feld.
Welche Kunststoffe werden für die Substrate betrachtet?
Der Autor beschreibt Versuche mit POM sowie mit HDPE und LDPE in Verbindung mit Quarzmehl.
Welche Rolle spielt das Rastertunnelmikroskop im theoretischen Ansatz?
Es wird als mögliche Vorrichtung vorgeschlagen, um über eine feine Titansonde ein punktförmiges elektrisches Feld auf eine Substratoberfläche zu übertragen.
Ist der vorliegende Text die gesamte ursprüngliche Arbeit?
Nein. Der Autor bezeichnet die Veröffentlichung als Teil einer früher angefertigten, umfangreicheren Arbeit.
- Citation du texte
- Bernd Staudte (Auteur), 2008, Punktförmige elektrische Ladungen in polymerkristallinen Schichten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/94115
