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Marangoni-Konvektion

Marangoni-Konvektion
Forschungsthema:Untersuchungen zur Visualisierung oberflächenspannungsgetriebener Konvektion in dünnen Schichten
Typ:Bachelorarbeit / Masterarbeit
Datum:ab sofort
Betreuer:

Tönsmann

Bearbeiter:zu vergeben

Zur Herstellung organischer Elektronik, zum Beispiel organische Leuchtdioden (OLEDs) oder organischer Solarzellen (OPV), werden funktionale Schichten mit sehr homogener Oberflächentopologie benötigt. Bei flächigen Beschichtungen bewegt sich die Schichtdicke im Rahmen zwischen 10 nm 10 µm mit einer zulässigen mittleren Abweichung von 1 – 2 % der Endschichtdicke. Bei der Trocknung von Polymerbeschichtungen mit Schichtdicken Mikrometerbereich kann in Systemen, in denen keine chemischen Reaktionen auftreten davon ausgegangen werden, dass die für die potentielle Instabilität verantwortlichen treibenden Kräfte, die zu Oberflächendeformation führen, von Eigenschaften der freien Oberfläche herrühren.

Ebenfalls von Interesse sind mit dem Inkjet-Verfahren gedruckte kleine Strukturen, deren Oberflächeneigenschaften von Randeffekten während der Trocknung dominiert werden. In beiden Fällen können oberflächenspannungsgetriebene Konvektionseffekte, sogenannte Marangoni-Konvektion, auftreten. Da die Oberflächenspannung der eingesetzten Mehrkomponentensystemen sowohl von der Temperatur als auch von der Zusammensetzung abhängig ist (siehe Abb. 1), hat die Trocknung einen entscheidenden Einfluss auf die Oberflächengüte. Während bei flächigen funktionalen Schichten die Marangoni-Konvektion zu einer ungewollten Oberflächendeformation führt und somit unerwünscht ist, kann sie bei kleinen gedruckten Strukturen gezielt eingesetzt werden um die Randeffekte während der Trocknung zu kompensieren.

 

Ein umfassendes Verständnis dieser Konvektionsvorgänge in Mehrkomponentensystemen wird somit benötigt. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurde in Vorarbeiten ein neuartiger Versuchsstand (µPTV) zur Visualisierung von Strömungszuständen auf mikrostruktureller Ebene entwickelt und realisiert (vgl. Abb. 2). Der Aufbau ist zur Untersuchung von oberflächenspannungsgetriebenen Konvektionsströmungen konzipiert und basiert auf der Verfolgung fluoreszierender Nanopartikel. Zur Beobachtung dient ein inverses Fluoreszenzmikroskop mit angeschlossener CCD Kamera. Durch eine als „off-focus imaging“ bezeichnete Technik ist es möglich den aufgenommenen Bildern Tiefeninformationen zu entnehmen und so ein 3-dimensionales Strömungsfeld zu erfassen.  Abbildung 3 zeigt beispielhaft Konvektionszellen, die sich während der Trocknung im Film einstellen.

 

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll die Messtechnik in Betrieb genommen werden und experimentelle Untersuchungen an trocknenden dünnen funktionalen Schichten durchgeführt werden. Je nach Art und Umfang der Arbeit kann die Aufgabenstellung individuell angepasst werden.

 

Abb. 1: Temperatur- und Konzentrationsabhängige Oberflächenspannung von Methanol-Poly(vinyl-acetat).

 

Abb. 2: Messtechnik zur Strömungsvisualisierung in dünnen Schichten während der Trocknung.

 

Abb. 3: Strömungsvisualisierung in dünnen Filmen mittels fluoreszierender Nanopartikel.