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Pulse-Laser-Induced diagnostics of the ablation behaviour and laser spectroscopic analysis of copper oxide and basic copper sulfate
Ariane Giesriegl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Wolfgang Kautek
DOI
10.25365/thesis.37417
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29727.52867.719270-8
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Kupfer nimmt seit Jahrtausenden eine wichtige Stellung in Gebieten wie der
Architektur und der Errichtung von Gebäuden ein. Diese Stellung kann
auf seine Widerstandsfähigkeit, Korrosionsbest¨andigkeit und sein Aussehen
zurückgeführt werden. Umweltbedingte Einflüsse die zur Bildung von Patinaschichten f¨uhren, haben nicht nur Einfluss auf Kupferoberflächen in der
Architektur sondern auch in der Mikroelektronik, der Medizin und in Automobiltechnologien.
Eine wichtiger Parameter von Oxidschichten und Metallen ist die Laser-Abtrageschwelle, welche kontaktlose und präzise Schichtabtragungen und die
Bestimmung von Inkubations-Koeffizienten möglich machen. Die Ein-Puls
Abtrageschwellen für Cuprit Cu2O und Brochantit CuSO4·3Cu(OH)2 sind
jeweils 5 und 3 J·cm−2.
Diese Arbeit umfasst die Ermittlung der Abtrageschwelle und Einflüsse der
Inkubation an Cuprit und Brochantit sowie Oberflächen- und Schichtanalyse
mittels Rasterelektronenmikroskopie inklusive Energiedispersiver Röntgenspektroskopie um Unterschiede und Gemeinsamkeiten künstlich hergestellter
Kupferoxide und natürlicher Patina festzustellen.
Um eine mögliche Alternative zu konventionellen Reinigungmethoden von
Verschmutzungen an Patina-Oberflächen zu bieten, wurden die Abtragungen
von künstlich aufgebrachten Verschmutzungen untersucht. Die Ein-Puls Abtrageschwellen für 40%-ig und 100%-ig verschmutzte Proben sind jeweils 0.03
± 0.02 und 0.1 ± 0.05 J·cm−2. Die Abtrageschwellen für Verschmutzungen
sind demnach Größenordnungen kleiner als die der Cuprit- und Brochantit-Schichten.
Durch spektroskopische Analysen von Patinafilmen wie z.B. Cuprit und Brochantit mittels ”Laser-Induced Breakdown Spectroscopy” können Abtrageprozesse verfolgt werden um mögliche Zerstörungen der Metalle oder Oxidschichten zu vermeiden. Die für die Bildung eines Plasmas, welches für die
Spektroskopie notwendig ist, nötigen Fluenzen waren jedoch 2-3 Größenordnungen höher als die Abtrageschwellen der Verschmutzungen, die auf den
Schichten aufgetragen waren.
Abstract
(Englisch)
Copper takes an important role as roofing in the field of architecture and
building construction since centuries. The history of copper in architecture
can be linked to its durability, corrosion resistance and prestigeous appearance. Environmental impacts on copper which lead to oxidic coating systems
occur not only in architecture but also in microelectronics, medical, and automotive technologies.
An important parameter for the analysis and micro-machining of oxide coatings and their underlying metals is the pulsed-laser ablation threshold fluence,
which allows non-contact and precise film removal, as well as ablation rates
and the incubation coefficient. Single pulse ablation thresholds for cuprite
Cu2O and brochantite CuSO4·3Cu(OH)2 were found to be 5 and 3 J·cm−2,
respectively.
The samples were analysed to determine laser ablation thresholds and the role
of incubation. Distinctions and similarities of artificially generated copper
oxides and natural patina were evaluated by Scanning Electron Microscopy
including Energy-Dispersive X-Ray mapping.
In order to provide a possible alternative to conventional cleaning techniques
which are often not effective or may even cause damage, the removal of persistent contaminations on historical copper sheets was examined. The single
pulse ablation thresholds for the 40 % and 100 % contaminated samples were
found to be 0.03 ± 0.02 and 0.1 ± 0.05 J·cm−2, respectively. The ablation
thresholds for the removal of the contaminations are orders of magnitude
smaller than the destruction thresholds for the cuprite and brochantite layers. This provides a convenient laser cleaning fluence window.
The subsequent spectroscopic analysis of patina films such as copper oxides
on historical copper roofing sheets and possible contaminations via LaserInduced Breakdown Spectroscopy was tested to allow monitoring of the ablated elements during the removal process to prevent destruction of the metal
or the oxide. However, necessary laser fluences for a plasma formation and
emission are 2 - 3 orders of magnitude higher than ablation thresholds fluences for the removal of contaminations.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
LIBS cuprite brochantite copper laser spectroscopy EDX
Schlagwörter
(Deutsch)
LIBS Cuprit Brochantit Kupfer Laserspektroskopie EDX
Autor*innen
Ariane Giesriegl
Haupttitel (Englisch)
Pulse-Laser-Induced diagnostics of the ablation behaviour and laser spectroscopic analysis of copper oxide and basic copper sulfate
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
120 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Wolfgang Kautek
Klassifikation
35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines
AC Nummer
AC12655883
Utheses ID
33157
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |