Abgeschlossene Projekte

Rauchgas-Methanisierung (BMWi, 03ET7002A)

CO2-Methanisierung aus dem Rauchgas

Kurzbeschreibung:
Das Projekt stellt einen neuen Ansatz in der Entwicklung von Strategien zur CO2-Emissionsreduzierung dar. Das Vorhaben zielt auf die chemische Wandlung von CO2 direkt aus dem Rauchgas-Strom eines Kohlekraftwerks. Die zentrale Aufgabe ist die Reduzierung der CO2-Emissionen ohne dass dazu Eingriffe in den Kraftwerksbetrieb erforderlich sind. Beantragt werden grundlegende Untersuchungen zum Betrieb einer entsprechenden Technikums-Anlage, in welcher durch die Sabatier-Reaktion CO2-Anteile aus dem Rauchgas-Strom direkt in Methan umgewandelt werden. Dadurch wird ein geschlossener Kohlenstoff-Kreislauf etabliert.

In der Projektlaufzeit sollen zunächst die erforderlichen Einsatzbedingungen im Labor simuliert und die Katalysatoren entsprechend optimiert werden. Dazu zählen apparativer Ausbau und Anpassung der Analytik, Katalysatoroptimierung, Gasaufbereitung. Die Stabilität der Katalysatoren gegenüber den Rauchgasverunreinigungen ist dabei ein zentrales Thema. Im weiteren Verlauf soll eine mobile Technikumsanlage für den Einsatz an kleineren Kraftwerken entwickelt werden. Die Technikums-Anlage wird zunächst im Einzelbetrieb mit synthetischen Gasgemischen betrieben. Anschließend soll die Technikums-Anlage in einem 3-monatigen Testbetrieb an ein kleines Heizkraftwerk angeschlossen werden, um die Machbarkeit des Verfahrens zu demonstrieren. Dabei sollen Stoff- und Energieströme sowie Wirtschaftlichkeitsbilanzen ermittelt werden.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Kooperationsparter:
Panta Rhei gGmbH
Konrad-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Vattenfall Europe Generation AG
Herrmann-Löns-Straße 33
03050 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
05/2013 - 10/2015

Förderkennzeichen:
03ET7002A

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Fe-N-C-Katalysatoren (MWFK, EFRE, 80160676)

Untersuchungen zum Stabilitätsverhalten von Fe-N-C-Katalysatoren in der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-BZ)

Kurzbeschreibung:
Unser Vorhaben richtet sich auf die Anwendung eines kostengünstigen, eisenbasierten Katalysators für die Sauerstoffreduktion in der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM-BZ).
In der PEM-BZ wird Wasserstoff als Energieträger und Sauerstoff (i.d.R. Luft) als Oxidationsmittel verwendet. Die in der Brennstoffzelle ablaufenden Teilreaktionen werden z.Zt. standardmäßig mit platinbasierten Katalysatoren beschleunigt. Mit diesen werden sehr hohe Leistungsdichten und gute Langzeitstabilitäten erreicht, aber die Sauerstoffreduktion verläuft kinetisch gehemmt. Außerdem tragen die Platinkatalysatoren zu 33% des BZ-Stack-Preises bei. Um flächenübergreifend den Einsatz der BZ im Automobil zu ermöglichen, müssen die Herstellungskosten reduziert werden. Insbesondere bietet die Verwendung von alternativen Katalysatoren für die Sauerstoffreduktion (ORR) ein großes Einsparpotenzial, da z.Zt. der Großteil des Platins dort eingesetzt wird. Fe-N-C-Katalysatoren erreichen heute bereits sehr vielverspechende Aktivitäten. Durch die gute Verfügbarkeit der für die Herstellung notwendigen Elemente, kann von einer Reduktion der Katalysatorherstellungskosten um 90% ausgegangen werden. Deshalb richtet sich dieses Projekt auf diese vielversprechende Alternative.
Die Stabilität der Fe-N-C-Katalysatoren muss jedoch für den kommerziellen Einsatz verbessert werden. Im Rahmen des Projekts sollen daher (1) die Degradationsprozesse bestimmt und (2) die darauf aufbauenden Möglichkeiten zur Stabilisierung entwickelt werden. Für die Untersuchung der Fe-N-C-Katalysatoren eignet sich besonders die Kombination aus Elektrochemie, 57Fe Mößbauerspektroskopie und XAS-Messungen (N- und Fe-Kante).

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
02/2014 - 12/2014

Antragsnummer:
80160676

Fördernde Institution:
Europäischer Fond für regionale Entwicklung (EFRE) in der Bewirtschaftung des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kultur (MWFK)

Förderprogramm:
"Wissens- und Technologietransfer für Innovationen"

Allgemeine Informationen zum Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung
www.efre.brandenburg.de

Schlagworte:
PEM-Brennstoffzelle, CO2- Emissionsreduzierung, Katalysatoren, Sauerstoffreduktion

CO2-Katalyse Technikum 2 (MWFK, EFRE, 80158343)

CO2 Katalyse Technikumsanlage (2 - Ausbau)

Kurzbeschreibung:

Die Durchführung der Methanisierung auf experimenteller Ebene hat einzig die Betrachtung der Reaktion an sich im Fokus, während für einen Einsatz an einem kommerziell betriebenen Standort in der Regel keine relevanten Größen bezüglich der Effizienz des Gesamtsystems mit allen notwendigen den Reaktor umgebenden Anlagenkomponenten vorgenommen werden. Mit einer Dimensionierung im Technikumsmaßstab wird schnell deutlich, an welchen Stellen des Gesamtprozesses mehr oder weniger Investitions- sowie Betriebskosten entstehen und die Ausformulierung verschiedener Szenarien der Nutzung wird notwendig. Es zeigt sich z.B. in der Praxis, dass selbst bei stark exothermen Reaktionen wie der Methansynthese dem Reaktionsapparat noch Hitze zugeführt werden muss. Zur Ermittlung des Gesamtwirkungsgrads dieses Prozesses müssen alle Stoff- und Energieströme bilanziert und  theoretisch schwer abschätzbare Effekte entsprechend quantifiziert werden.  Aus diesem Grund ist eine hochskalierte Darstellung ein notwendiger Schritt im Sinne einer Machbarkeitsstudie bezüglich der anvisierten industriellen Anwendbarkeit der Sabatier-Reaktion.

Die Zielstellung ist die Anwendung der Methanisierung zur Umsetzung von CO2 aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen also für sehr hohe kontinuierliche Durchsätze. Um Laborergebnisse für die Anwendbarkeit in großem Maßstab zu überprüfen, ist der Weg über ein Technikum, eine Pilotanlage bis hin zur Industrieanlage Standard.
Der erste Schritt einer Hochskalierung soll dementsprechend im Rahmen eines Technikums erfolgen und die aus dem Kleinstmaßstab entwickelten Modelle sind auf ihre Hochskalierbarkeit zu überprüfen.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
09/2013 - 06/2014

Antragsnummer:
80158343

Fördernde Institution:
Europäischer Fond für regionale Entwicklung (EFRE) in der Bewirtschaftung des     Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kultur (MWFK)

Förderprogramm: "Hochschulinvestitionsprogramm"

Allgemeine Informationen zum Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung
www.efre.brandenburg.de

Schlagworte:
CO2, Emissionsreduzierung, CO2-Reduktion, Katalyse, Technikum

PE-ALD (BMBF, 03IN2V4A)

Weiterentwicklung und Überführung der PE-ALD in ein industriell nutzbares Verfahren

Kurzbeschreibung:
Das Ziel der Arbeiten des Projektes besteht in der Untersuchung der Dotiermöglichkeit von TiO2 mittels Stickstoff-Plasma, um die Lichtabsorption des untersuchten Materials in den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu verschieben und damit eine bessere Anpassung an das Sonnenspektrum zu gewährleisten.
Das wissenschaftliche Ziel des Projektes besteht in der Entwicklung von ALD-Verfahren (ALD: Atomlagenabscheidung) unter Nutzung von Sauerstoff- und Stickstoff-Plasmen zur Herstellung von stickstoffdotierten Titandioxidschichten (TiO2:N) mit variablen Dotierungskonzentrationen. Die elektronischen Eigenschaften der hergestellten TiO2:N-Schichten werden in Abhängigkeit der Dotierungskonzentration mittels Synchrotron-Photoemissionsspektroskopie (SR-PES) untersucht. Aufgrund der durch die Stickstoffdotierung zu erwartenden Bildung von Stickstoff- oder Sauerstoffdefektzuständen soll eine Veränderung des Absorptionsverhaltens von TiO2 mit einer möglichen Verschiebung des Absorptionsmaximums in den sichtbaren Bereich erreicht werden. Unter Nutzung der hohen Genauigkeit der SR-PES zielen wir auf ein Verständnis des Einflusses von Defektzuständen auf die Absorptionseigenschaften der TiO2:N-Schichten. Dabei sollen optimale Parameter für eine höchstmögliche Ausbeute einer nachhaltigen Energieumwandlung gefunden werden. Der ALD Prozess wird von Lehrstuhl Angewandte Physik/Sensorik in einer Forschungsanlage entwickelt und an Sentech übergeben. Sentech wird der Prozess zu einer industrielle Anlage anpassen und TiO2:N schichten auf 100/200mm Wafern abscheiden. Anschließend sollen die optimierten TiO2:N-Schichten mittels ALD auf nanostrukturierte Substrate abgeschieden werden, um die effektiv aktive Oberfläche der Schichten und damit den Wirkungsgrad photoelektrochemischer Prozesse zu erhöhen. Als nanostrukturierte Oberflächen werden regulär anodisch oxidierte undotierte TiO2-Proben benutzt. Diese stellen Templates für das Wachstum von TiO2:N-Nanoröhrchen mit verschiedenen Durchschnittsradien, Längen und Stickstoffdotierungskonzentrationen dar. Die optimierte Schichtherstellung mittels plasmaaktivierter ALD wird somit für Anwendungen der Photokatalyse (Wasserspaltung) sowie der Photovoltaik höchstattraktiv.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Kooperationspartner:
Sentech Instruments GmbH
Schwarzschildstraße 2
12489 Berlin

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
07/2012 - 04/2014

Förderkennzeichen:
03IN2V4A

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
"Zukunft des Technologietransfers in strukturschwachen Regionen - Modell-Hochschule BTU Cottbus"

Schlagworte:
Atomlagenabscheidung, Oxynitride, TiO2, Plasma enhanced ALD

Zukunft des Technologietransfers in strukturschwachen Regionen

Modell-Hochschule BTU Cottbus

Writing Graphene (DFG, SPP 1459, SCHM 745/23-1)

Writing graphene: Ion-beam modification of thin polymer layers

Kurzbeschreibung:
Wir verfolgen einen völlig neuen Ansatz der Graphenherstellung. Im Kontrast zur "Exfoliation" oder zu Oberflächenreaktionen wollen wir ein "horizontales" Graphenwachstum realisieren. Ähnlich zu den Kohlenstoffnanoröhrchen soll das Graphen schrittweise entlang der (ab) Ebene wachsen. Eine Monomerschicht eines Polymers wird als Prekursor benutzt. Das Polymer soll durch Niedrigenergie-Ionenbeschuss in eine Graphenschicht gewandelt werden. Dabei soll die Ionenbestrahlung in einen speziell zu entwickelnden Scanning Modus erfolgen. In Analogie zum Zonenschmelzen wird der Ionenstrahl schrittweise über die Prekursorschicht geleitet, um ein Graphenwachstum in Fahrtrichtung des Strahls zu initiieren. Wir erwarten, dass mit dieser Methode großflächige Graphenschichten auf verschiedenen isolierenden Substraten hergestellt werden können.Die Atomlagenabscheidung (ALD) von Polyimid im Monomerdickenbereich soll enwtickelt werden. Das Graphenwachstum soll in-situ mittels Röntgenspektroskopie (XPS, SR-XPS, XAS) charakterisiert werden. Außerdem werden die Schichten ex-situ mit verschiedenen Mikroskopietechniken (STM, AFM, KPFM, PEEM) untersucht. Die elektrischeh Transporteigenschaften der Graphenschichten inklusive Feldeffekt- und Hallmobilitäten werden im Detail bestimmt. PEEM- und KPFM-Messungen sollen an Feldeffekttransitorstrukturen durchgeführt werden, um die makroskopische Homogeniät der Graphenfilme zu überprüfen.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Kooperationspartner:
Lehrstuhl für Experimentalphysik
Universität Erlangen-Nürnberg
Department of Physics
Erwin-Rommel-Str. 1
D-91058 Erlangen

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer
Prof. Dr. Paul Müller
Dr. Yuri Koval

Laufzeit:
11/2010 - 11/2013

Förderkennzeichen:
SCHM 745/23-1

Fördernde Institution:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
(DFG-Schwerpunktprogramm)

Schlagworte:
Graphen, Ionenstrahlmodifizierung, Röntgen-Spektroskopie

GeoEN II (CO2 Utilization: Carbon Cycling, CO2 catalysis BMBF, 03G0767B)

CO2 Nutzung: Carbon Cycling, CO2-Katalyse (GeoEn II)

Kurzbeschreibung:
Neben der Erforschung von CCS wird die Verwendung von CO2 als Rohstoff ein weiterer Bestandteil der Forschung in GeoEn II sein. Ziel ist die Gewinnung von Methan oder Methanol aus abgeschiedenem Kohlendioxid. Das bei der Kohle-trocknung in großen Mengen anfallende Wasser kann elektrolytisch aufgespalten werden. Der entstehende Sauerstoff substituiert einen Teil des Oxyfuel-Prozesssauerstoffes aus der Luftzerlegungsanlage. Der entstehende Wasserstoff kann zusammen mit dem im CCS-Kraftwerk abgeschiedenen CO2 katalytisch zu Methan oder Methanol reagieren. Beide sind wichtige Ausgangsstoffe für ver-schiedenste Materialien, sie können aber auch direkt als Treibstoffe für Autos o-der Brennstoffzellen genutzt werden. Durch die Substitution der Luftzerlegungs-anlage kann außerdem der Oxyfuel-Wirkungsgrad mittelfristig gesteigert werden. Ebenso bietet sich mit der Einführung von Methanol, als Zwischen-produkt im CCS-Prozess, eine Möglichkeit zur Energiespeicherung in einer sehr hochwertigen Form. Hier könnten z.B. Überschußströme aus erneuerbaren Ener-gien dazu dienen, Wasser im Elektrolyseur in Sauerstoff und Wasserstoff aufzu-spalten.
Voraussetzung für die Umwandlung von CO2 sind Katalysatoren. Im Arbeitspaket CO2- Nutzung und -Katalyse sollen neuartige Katalysatormaterialien auf ihre Eig-nung zur Methan- und Methanolerzeugung aus Kohlendioxid aus dem Oxyfuel-Prozess getestet und optimiert werden. Zudem sollen Skalierungseffekte bei grö-ßeren Umsätzen mit der Perspektive einer Systemintegration untersucht werden.
Vorarbeiten zur Prozess- und Komponentenentwicklung sowie zur Systemintegra-tion laufen zurzeit an den Lehrstühlen Angewandte Physik und Kraftwerkstechnik der BTU-Cottbus.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
01/2011 - 08/2013

Förderkennzeichen:
03G0767B

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Spitzenforschung und Innovation in den Neuen Ländern (Homepage; Projekt-Homepage)

Schlagworte:
CO2, Emissionsreduzierung, CO2-Reduktion, Katalyse

CO2-Katalye Technikum (MWFK, EFRE, 80149806)

CO2 Katalyse Technikum

Kurzbeschreibung:
Die Durchführung der Methanisierung auf experimenteller Ebene hat einzig die Betrachtung der Reaktion an sich im Fokus, während für einen Einsatz an einem kommerziell betriebenen Standort in der Regel keine relevanten Größen bezüglich der Effizienz des Gesamtsystems mit allen notwendigen den Reaktor umgebenden Anlagenkomponenten vorgenommen werden. Mit einer Dimensionierung im Technikumsmaßstab wird schnell deutlich, an welchen Stellen des Gesamtprozesses mehr oder weniger Investitions- sowie Betriebskosten entstehen und die Ausformulierung verschiedener Szenarien der Nutzung wird notwendig. Es zeigt sich z.B. in der Praxis, dass selbst bei stark exothermen Reaktionen wie der Methansynthese dem Reaktionsapparat noch Hitze zugeführt werden muss. Zur Ermittlung des Gesamtwirkungsgrads dieses Prozesses müssen alle Stoff- und Energieströme bilanziert und  theoretisch schwer abschätzbare Effekte entsprechend quantifiziert werden.  Aus diesem Grund ist eine hochskalierte Darstellung ein notwendiger Schritt im Sinne einer Machbarkeitsstudie bezüglich der anvisierten industriellen Anwendbarkeit der Sabatier-Reaktion.
Die Zielstellung ist die Anwendung der Methanisierung zur Umsetzung von CO2 aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen also für sehr hohe kontinuierliche Durchsätze. Um Laborergebnisse für die Anwendbarkeit in großem Maßstab zu überprüfen, ist der Weg über ein Technikum, eine Pilotanlage bis hin zur Industrieanlage Standard.
Der erste Schritt einer Hochskalierung soll dementsprechend im Rahmen eines Technikums erfolgen und die aus dem Kleinstmaßstab entwickelten Modelle sind auf ihre Hochskalierbarkeit zu überprüfen.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
10/2011 - 06/2013

Antragsnummer:
80149806

Fördernde Institution:
Europäischer Fond für regionale Entwicklung (EFRE) in der Bewirtschaftung des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kultur (MWFK)

Förderprogramm: "Wissens- und Technologietransfer für Innovationen"

Allgemeine Informationen zum Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung
www.efre.brandenburg.de

Schlagworte:
CO2, Emissionsreduzierung, CO2-Reduktion, Katalyse, Technikum

Armor: Modulare Überwachungselektronik (BMWi, AiF, KF2394107DB0)

Modulare Überwachungselektronik: Modular Armor Structur Health Guard

Kurzbeschreibung:
Das Projekt hat die Entwicklung einer modularen Überwachungselektronik - Modular Armor Structure Health Guard (M.A.S.H.Guard) zur stetigen Überprüfung von Schutzpaneelen gegen ballistische Bedrohungen (Schutzpaneel) einschließlich der Entwicklung und Implementierung eines geeigneten Sensorsystems in das Schutzpaneel (Faserverbund) zum Inhalt. Die wesentliche Zielstellung für die zu entwickelnde modulare Überwachungselektronik besteht darin, eine permanente Überprüfung der Funktionalität des Schutzpaneels zu gewährleisten sowie eine eindeutige Darstellung der Prüfergebnisse  sicher zu stellen. Im Fall von Strukturveränderungen oder anderen Materialabnormitäten einzelner Schutzpaneele informiert M.A.S.H.Guard den Nutzer über ein entsprechendes Ausgabemodul. Für die Reparatur-/Wartungsprozesse wird ein Servicemodul entwickelt, mit dessen Hilfe sich eventuelle Störungen und/oder Beschädigungen im Bedarfsfall selektieren und  weitergehend analysieren lassen.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Kooperationsparter:
Lab microelectronic GmbH
Große Heide 17 - 21
32425 Minden

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
01/2011 - 12/2012

Förderkennzeichen:
KF2394107DB0

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Wirtschaft und Techniologie
AiF

Polyimidgraphitisierung (MWFK, F 111-02-BTUC/00)

Steigerung der Effizienz der Graphitisierung dünner Polyimidschichten

Steigerung der Effizienz der Graphitisierung dünner Polyimidschichten

Ausführende Stelle:

Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
09/2010 - 12/2011

Förderkennzeichen:
F 111-02-BTUC/00

Fördernde Institution:
MWFK

Schlagworte:
Graphen, Ionenstrahlmodifizierung

SESECA (BMBF, 05KS7IC1)

SESECA: Synchrotron-Electron Spectroscopy for electrochemical Analysis

Kurzbeschreibung:
Im Rahmen des Vorhabens ist ein in-situ Fluoreszenzspektrometer am Strahlrohr U49/2 bei BESSY aufzubauen. Für die Detektion der emittierten Fluoreszenz sind zwei Kriterien wichtig: Zum einen sollte die reflektierte Synchrotronstrahlung nicht detektiert werden, d. h. der Detektionswinkel sollte sich vom Einfallswinkel der Synchrotronstrahlung unterscheiden. Zum anderen sollte ein möglichst großer Raumwinkel durch den Detektor erfasst werden. Unter der Annahme, dass die Röntgen-Fluoreszenz isotrop emittiert wird, bedeutet dies eine möglichst hohe Empfindlichkeit.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
07/2007 - 12/2010

Förderkennzeichen:
05KS7IC1

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Schlagworte:
Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS), Röntgen-Fluoreszenz

Semiconductor Technology (MWFK, ESF, 1027795)

Einrichtung eines postgradualen Masterstudienganges Physics of Semiconductor Technology

Kurzbeschreibung:
Der geplante postgraduale Studiengang vernetzt die Kompetenzen des Institutes für Physik und Chemie an der BTU Cottbus im Rahmen des Cottbus Joint Lab mit regionalen außeruniversitären Industrie- und Forschungspartnern hinsichtlich der Entwicklung eines Ausbildungsprogrammes, welches auch berufsbegleitend absolviert werden kann. Der Studiengang  fördert somit den Wissenstransfer im Bereich der Halbleitertechnologie und trägt zur Sicherung des Fachkräftebedarfs regionaler Unternehmen auf diesem Gebiet bei.

Ausführende Stelle:
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Postfach 101344
03013 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Laufzeit:
02/2008 - 12/2010

Förderkennzeichen:
1027795

Fördernde Institution:
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg (MWFK)
aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds (ESF)
www.esf.brandenburg.de

Schlagworte:
postgradual, Masterstudiengang, Montagsmaster

Nanoanalytik (BMBF, 13N9431)

Nanoanalytik: NEXAFS Untersuchungen zur Kalibrierung und Quantifizierung von EF-TEM Analysen

Kurzbeschreibung:
NEXAFS Untersuchungen ermöglichen eine quantitative und spezifische Analyse der chemischen Bindungsverhältnisse in dünnen Schichten. Sie werden im Rahmen des Vorhabens als Ergänzung zu und zur Stützung der Auswertungen von EF-TEM Messungen herangezogen.
NEXAFS ist eine Technik, die unter Verwendung von Synchrotronstrahleinrichtungen die kontinuierliche Variierung der Photonenenergie nutzt, um den atomaren Absorptionskoeffizienten an der spezifischen Absorptionskante aufzuzeichnen. Entsprechend den Dipolauswahlregeln, die den Absorptionsprozess bestimmen, ist diese Methode elementspezifisch und sehr empfindlich bei der Analyse von dünnen Schichten.

Weiterhin ist die Feinstruktur an jeder Absorptionskante charakteristisch für spezifische Bindungskonfigurationen des betreffenden Atoms. Als solche ist die Methode einzigartig bei der Verbindung von elementaren und chemischen Informationen. Mit Hilfe eines energiefilternden TEM Mikroskops werden ähnliche Informationen erhalten, wenn der Energieverlust an der Absorptionskante bestimmt wird. Diese Methode hat den Vorteil der hohen lateralen Auflösung. Die prinzipiellen Unterschiede zu NEXAFS sind auf die speziellen Wechselwirkungsmechanismen zurückzuführen: während NEXAFS ein tatsächlicher Absorptionsprozess ist, in dem man das ε2 der dielektrischen Funktion ε(ω) messen kann, liefert EF-TEM aus einem Steuerprozess die Verlustfunktion (-Im(1/ε)). Es gibt Verfahren, um die physikalische Bedeutung der beiden Experimente mittels Kramers-Kronig-Relation zu entschlüsseln. Dieses Verfahren kann jedoch nur begrenzt angewandt werden, da es sehr stark von experimentellen Details abhängt.

Ausführende Stelle: (Unterauftrag)
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
K.-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus

Kooperationspartner:
AMD / Globalfoundries Dresden
Wilschdorfer Landstraße 101
01109 Dresden

Projektleiter: (Unterauftrag)
Prof. Dr. Dieter Schmeißer

Laufzeit:
07/2007 - 06/2010

Förderkennzeichen:
13N9431

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Schlagworte:
Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS)

Pr-O-N (DFG, SPP 1157, SCHM 745/9)

Pr-O-N - Schichten: Dielektrika für 4H-und 3C-SiC-Oberflächen

Kurzbeschreibung:
Seltene-Erd-Hetero-Oxide (Praseodym-Oxid / Oxynitrid) werden auf 4H- und 3C-SiC Oberflächen aufgebracht und deren Grenzflächeneigenschaften optimiert für elektronische Anwendungen.SiC verfügt Über mehrere intrinsische Eigenschaften, die es als Halbleitermaterial für HF-Elektronik, Leistungsbauelemente oder Hochtemperaturbauelemente (Sensoren) geeignet erscheinen lässt. Der Einsatz von Bauteilen mit SiC als Halbleiterelement wird bislang beeinträchtigt, da auf SiC aufwachsende "natürliche" Oxide keine idealen Grenzflächen bilden, was eine hohe Dichte von Grenzflächenzuständen in den elektrischen Messungen zur Folge hat. Findet sich ein geeignetes Dielektrikum mit guten Grenzflächeneigenschaften, so sind Anwendungen denkbar, welche die elektronischen Eigenschaften (Bandlücke 4H : 3.28eV), die hohe Sättigungsgeschwindigkeit für Elektronen oder die hohe Durchbruchfeldstärke ebenso ausnutzen wie die hohe chemische und mechanische Stabilität.
Wir optimieren die Grenzflächeneigenschaften von 4H- und 3C-SiC-Oberflächen durch ein funktionales Hetero-Oxid. Dessen Architektur beginnt mit einer Oxynitrid-Schicht (2nm) in welcher der Stickstoff in geringer Konzentration zur Passivierung von Grenzflächenzuständen fungiert. Der Sauerstoff dient dazu eine reaktive Silikatphase durch die Wechselwirkung mit dem anschließend aufgebrachten Praseodymoxid zu bilden. Die dielektrischen Eigenschaften des Hetero-Oxides werden im wesentlich bestimmt durch die DK des Seltenen-Erd-Oxides.
Eine spektroskopische Methode zur zerstörungsfreien Grenzflächenanalyse wird eingesetzt um den Verlauf der atomaren Zusammensetzung im Bereich der heterogenen Grenzflächen (<3nm) zu bestimmen und reproduzierbar einzustellen. Diese Methode benutzt die variable Anregungsenergie eines Undulatorstrahlrohres bei BESSY. Sie kann im Rahmen des SPP auch anderen Arbeitsgruppen zur Verfügung gestellt werden. Die elektrischen Eigenschaften werden im Rahmen des Projektes ausschließlich an MOSiC -Dioden überprüft.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Postfach 101344
03013 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Laufzeit:
10/2003 - 09/2005
10/2005 - 09/2007
10/2007 - 09/2008

Förderkennzeichen:
SCHM 745/9-1
SCHM 745/9-2
SCHM 745/9-3

Fördernde Institution:
Deutsche Forschungsgemeinschaft

Schlagworte:
Leistungsbauelemente, Sensoren, Grenzflächenzustände im SiC Spektroskopie an verborgenen Grenzflächen, XPS, AFM

PrOSiC (MWFK)

Funktionale Materialien für die Nanoelektronik - Praseodymoxid als Dielektrikum auf Silizium und Siliziumkarbid (PrOSiC)

Kurzbeschreibung:
Dielektrika spielen in der Halbleitertechnologie eine Schlüsselrolle. Zum einen werden sie eingesetzt, um elektrische Isolationsschichten zu realisieren, zum anderen bilden sie auch das Dielektrikum bei Kondensatorstrukturen. Bei dieser Anwendung ist eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante ε wünschenswert, weil sie im Zuge der weitergehenden Miniaturisierung eine Verkleinerung der von den Kondensatorstrukturen eingenommen Fläche erlaubt, bei gleichzeitig konstanter Kapazität. Eine in der Siliziumtechnologie in Zukunft dringend notwendige Strategie, denn Kapazitätsverluste können bei Miniaturisierung nicht mehr durch immer dünnere SiO2-Schichten ausgeglichen werden da die jetzigen Dicken von nur 2 nm eine physikalische Grenze darstellen (Tunnelstrüme). Praseodymoxid (Pr2O3) wird dabei als aussichtsreicher Kandidat gesehen, das bis jetzt vorherrschende SiO2 zu ersetzen, denn mit seiner vergleichsweise hohen Dielektrizitätskonstanten von ε≈40 bedeutet dies eine Verbesserung um den Faktor zehn gegenüber SiO2 (ε=3,9). Diese Gründe sprechen für Pr2O3 als Ersatzdielektrikum auf Silizium.
Jedoch gibt es auch Einsatzgebiete, in denen das Halbleitermaterial selbst (also das Silizium) durch ein besser geeignetes Material ersetzt werden muss. So geht eine aktuelle Entwicklung in die Richtung, Siliziumkarbid SiC als Ersatz für Si besonders in den Anwendungsgebieten der Leistungselektronik und der Sensorik (bes. für hohe Temperaturen) zu verwenden. Sowohl elektrischen Eigenschaften (z.B. Dichte von Störzuständen an der Grenzfläche, Dielektrizitätskonstante ε) als auch die chemischen Eigenschaften der Dielektrika im Zusammenspiel mit dem Substrat Si bzw. SiC (Stabilität gegenüber hohen Temperaturen, Vermeidung von Silizidbildung) müssen optimiert werden. Das erfordert eine grundlegende Untersuchung der Materialien mit dafür geeigneten Methoden.
Besonders herauszuheben hierbei ist die oberflächenanalytische Methode der Photoelektronenspektroskopie (PES) mit Synchrotronstrahlung, wie sie am Lehrstuhl Angewandte Physik II der BTU durch das BTU-eigene Strahlrohr am Synchrotron BESSY-II in Berlin/Adlershof (Kooperation mit BESSY) zur Verfügung steht. Mit dieser Methode ist eine chemische Tiefenprofilierung ultradünner (<10nm) Schichten mithilfe unterschiedlicher Röntgen-Anregungsenergien, wie sie am Strahlrohr bei BESSY-II verfügbar sind, möglich.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Postfach 101344
03013 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Laufzeit:
2004 - 2006

Fördernde Institution:
HWP Forschungsprojektförderung (MWFK)

Schlagworte:
Leistungsbauelemente, Sensoren, Grenzflächenzustände im SiC Spektroskopie an verborgenen Grenzflächen, XPS, AFM

ultradünnes Pr2O3

Investigations of ultra-thin Pr2O3 films on Si(111) by XSW/XPS measurements

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Postfach 101344
03013 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Laufzeit:
2. Halbjahr 2005

Fördernde Institution:
ESRF (The European Synchrotron Radiation Facility) 

Organische Speicher (DFG. SPP 1157, SCHM 745/11)

Organische Ferroelektrika für nichtflüchtige Speicher

Kurzbeschreibung:
In diesem Vorhaben werden organische Ferroelektrika als nicht-flüchtige Speichermedien in MFIS- (Metall-Ferroelektrikum-Isolator-Semiconductor) Strukturen aufgebaut und untersucht. Ziel des Vorhabens ist es, die Grenzflächeneigenschaften zwischen einer funktionalen organischen Schicht und der Oberfläche eines Dielektrikums zu charakterisieren. Dies wird am Beispiel des Systems P(VDF/TrFE) / SiO2 durchgeführt, wobei auch eine Substitution des SiO2 durch Pr2O3 untersucht werden soll. Die grundlegenden Fragestellungen, bezogen auf eine ideale Grenzfläche zwischen zwei Isolatoren, betreffen

  • die chemische Stabilität (Reaktionsprodukte, Sauerstoffdiffusion),
  • die Potentialverteilung (homogene Verteilung entlang der Grenzfläche, Raumladungszonen bzw. abrupte Übergänge der Bandkanten senkrecht zur Grenzfläche), und
  • die Ordnung innerhalb der funktionalen Schicht, bzw. der Störung der Ordnung durch die Grenzfläche

Die Fragestellungen, bezogen auf die als Beispiel ausgewählte Anwendung als nichtflüchtige Speicherzelle, betreffen

  • Ferroelektrische Hysterese
  • Schaltzeiten
  • Retentionszeiten

Die Übertragung der Ergebnisse auf andere Polymer-Isolator-Grenzflächen wird ebenso geprüft, wie die Übertragung der Ergebnisse mit high-k Materialien auf anorganische Ferroelektrika.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Postfach 101344
03013 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Laufzeit:
10/2005 - 09/2007
10/2007 - 05/2009

Förderkennzeichen:
SCHM 745/11-1
SCHM 745/11-2

Fördernde Institution:
Deutsche Forschungsgemeinschaft

Schlagworte:
nichtflüchtiger Speicher, P(VDF/TrFE), FeFET

OFET (DFG, SPP 1121, SCHM 745/8)

Spektroskopische und mikroskopische Charakterisierung von Grenzflächen in OFET-Schichtfolgen: Rauhigkeit, Reaktiviät und Potentialverteilung

PEEM und Kelvin-AFM-Untersuchungen an dielektrischen Schichten für organische Feldeffekttransistoren

Kurzbeschreibung:
Im Projektvorschlag wird zunächst eine methodische Entwicklung der spektroskopischen Charakterisierung von Grenzflächen in OFET-Schichtfolgen durchgeführt. Dabei stehen die Einflüsse der Rauhigkeit und der Reaktivität im Mittelpunkt. Nach abgeschlossener Charakterisierung erfolgt an somit wohl definierten Proben ein Vergleich zweier Methoden, die beide eine Abbildung von Potentialgradienten innerhalb des Kanals (zwischen der Source- und der Drain-elektrode) ermöglichen (Mikrokelvinmethode und PEEM).
AFM und PES werden eingesetzt, um die Grenzflächen, die im Aufbau von OFET- Schichtfolgen auftreten, zu charakterisieren. An der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und dem Dielektrikum wird die Rauhigkeit als Folge der Herstellungsparameter mit AFM-Messungen überprüft. Die beobachteten Rauhigkeiten werden mit den Herstellungsparametern korreliert. Ziel ist es, möglichst glatte Oberflächen zu erreichen, um den Einfluss der Rauhigkeit der Grenzflächen auf die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente zu bestimmen und letztere zu optimieren. Ein Ziel ist auch herauszufinden, inwieweit die Rauhigkeit und die  Reaktivität Grenzen für die charakteristischen elektrischen Kenndaten (Beweglichkeit, Sättigungsstrom, Durchgriff) der all-polymer Bauelemente vorgeben. Es ist zu bestimmen, ob durch die vorgegebenen Prozessschritte eine Begrenzung der Performance erfolgt.
Mit PES wird die chemische Stabilität an der Grenzfläche kontrolliert. Durch variable Austrittstiefen können diese Untersuchungen auch an verborgenen Grenzflächen durchgeführt werden, solange die Schichtdicken der Isolationsschichten kleiner als 2nm sind.
Nach erfolgreicher Optimierung der Materialien und der Präparationsbedingungen kann die Potential-Verteilung zwischen der Source- und der Drainelektrode über dem Source-Drain-Kanal mit der Mikrokelvinmethode und PEEM abgebildet werden.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Postfach 101344
03013 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Laufzeit:
04/2003 - 03/2005
06/2005 - 05/2007

Förderkennzeichen:
SCHM 745/8-1
SCHM 745/8-2

Fördernde Institution:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG-Schwerpunktprogramm 1121 - Organische Feldeffekt-Transistoren: strukturelle und dynamische Eigenschaften)

Schlagworte:
XPS, AFM,  PEEM Potential-Verteilungen

ZnS-CuInS2 (DFG, SCHM 745/3)

Multispektralzelle mit ZnS-CuInS2-Legierungen

Kurzbeschreibung:
Ziel des Projektes ist es, die Morphologie, die geometrische und elektronische Struktur von in-situ präparierten Schichten aus Cu-In-S unter dem Einfluss der Temperatur, zusätzlich aufgedampften Kupfer, Indium und ZnS mit spektroskopischen und spektromikroskopischen Methoden zu untersuchen. Es soll ein Verständnis der zugrundeliegenden Reaktionsprozesse erarbeitet werden, so dass daraus die Präparationsbedingungen für homogene und stöchiometrische Schichten aus CuInS2 sowie Mischkristallen aus ZnS-CuInS2 mit kontrollierter Bandlücke ableitbar sind.

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Förderkennzeichen:
SCHM 745/3-1

Fördernde Institution:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Defektzustände in Wolframtrioxid

Defektzustände in Wolframtrioxid

Gerade in jüngster Zeit ist ein stark zunehmendes Interesse an der Untersuchung des elektrochromen Verhaltens und der Sensoraktivität von Wolframtrioxidfilmen zu verzeichnen. In diesem Zusammenhang ist ein detailliertes Verständnis des Anteils und Einflußes von Defekten auf die elektronische Struktur dieser Filme von großer Bedeutung. An hinsichtlich der geometrischen und elektronischen Struktur sowie der Stöchiometrie wohldefinierten polykristallinen WO3-Filmen soll eine systematische Untersuchung der Zustände oberhalb des Valenzbandmaximums in Abhängigkeit der getrennt variierten Parameter Na-Konzentration, Stöchiometrie, Korngrößen und Korngrenzen erfolgen. Schichtpräparation, Schichtcharakterisierung und die Untersuchung der Schicht bei Variation jeweils eines der oben genannten Parameter werden im UHV In-Situ durchgeführt. Unabhängig vom präparativen Zustand der Probe können störende Einflüße unterschiedlicher geometrischer Struktur auf die elektronische Struktur und die Lage von Defektzuständen dadurch ausgeschlossen werden, daß für die kontinuierliche Variation der Na-Konzentration sowie der Variation von Stöchiometrie, Korngrößen und -grenzen jeweils kein Probenwechsel stattfinden muß.Ziel der Untersuchungen ist es, den durch Sauerstoffdefekte (Stöchiometrie, geometrische Struktur) verursachten Anteil am Verhalten der Zustandsdichte nahe der Fermikante deutlich vom Einfluß einer kontinuierlich erhöhten Na-Konzentration trennen zu können. Dazu wird mit XPS-, UPS- und Synchrotronmessungen die Lage des Valenzbandmaximums, des Ferminiveaus und insbesondere der Zustände nahe des Ferminiveaus sowie die Austrittsarbeit, Elektronenaffinität und das Oberflächendipolmoment in Abhängigkeit obiger Parameter untersucht. Die jeweilige Filmstöchiometrie sowie die jeweilige Na-Konzentration werden dabei mit XPS- und Synchrotronmessungen bestimmt. Die geometrische Struktur der Filme wird mit PEEM und AFM charakterisiert.

Aerosole 2 (BMWi, AiF, KF 0342201KFK1)

Nachweis von Aerosolen durch Schwingquarze und deren dynamische Verhaltenscharakteristik

Kurzbeschreibung:
Im Zusammenhang mit neuen medizinischen Erkenntnissen zur gesundheitlichen Wirkung von luftgetragenen Partikeln und der Absenkung von Grenzwerten für Stäube und Aerosole steht die Frage nach geeigneter und preiswerter Messtechnik im Immissionsbereich und sehr breit gefächert im Emissionsbereich, wobei auch der qualifizierte Nachweis von Tropfen eine wichtige Rolle spielt.Um geringste Mengen eines abgeschiedenen Materials quantitativ bestimmen zu können, eignet sich das Messprinzip der Masseanlagerung an Schwingquarzoberflächen, die zu Verschiebungen der Resonanzfrequenzen dieser Schwingquarze führt. Ursprünglich wurde das Messprinzip zur Schichtdickenmessung in Vakuumprozessen entwickelt. Später kam es auch zur Detektion von Gasen zum Einsatz, wobei man auf die Schwingquarzoberfläche eine die speziellen Stoffe adsorbierende Schicht aufbrachte. In jüngster Zeit werden die Schwingquarze auch in Flüssigkeiten appliziert und Biosensoren entwickelt, die selektiv auf bestimmte biologische Stoffe ansprechen. In einem im Rahmen des Förderprogrammes "Pro Inno" geförderten Projekt "Partikel- und Tropfendetektion im Mikrometerbereich (AiF KF 0342201KFK1 - Abschluss 10/03) konnten von den Antragstellern zum messtechnischen Nachweis von Partikeln mit einem aerodynamischen Durchmesser von kleiner 10 µm erste Erfahrungen gewwonnen werden, die sich insbesondere auch auf die Methoden der Abscheidung der Aerosole auf den Schwingquarzoberflächen beziehen. Um die Vorteile der Messmethode für luftgetragene Schadstoffe mit Schwingquarzen voll nutzen zu können - quasigravimetrische Mengenbestimmung in Echtzeit und Möglichkeit der Entwicklung kostengünstiger Messsonden oder -geräte - bedarf es jedoch noch umfangreicher Forschungsarbeiten zu den grundlegenden physikalischen Prozessen bei der Anlagerung kleinster Partikel bzw. Tröpfchen an Schwingquarzoberflächen. Bei Ausnutzung aller physikalischen Effekte des Kontaktes von Schadstoffen mit der Schwingquarzoberfläche (auch Oberschwingungen und Dämpfung) lassen sich Rückschlüsse auf Art und Eigenschaften der Luftverunreinigungen ziehen.
In dem vorwettbewerblichen Forschungsvorhaben sollen Erkenntnisse gewonnen werden, die zum Verständnis der verschiednen Einflüsse auf das Ergebnis einer Mengenbestimmung von auf der Schwingquarzoberfläche angelagerten Partikeln und Tröpfchen führen. Darüber hinaus sind im Verlauf des Themas für spätere Geräteentwicklungen weitere physikalische Phänomene des Kontaktes von luftgetragenen Schadstoffen mit dem Ziel zu untersuchen, für bestimmte Anwendungsfälle Art und Eigenschaften der Luftverunreinigungen zu erkennen. 

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Kooperationspartner:
Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH
Bertolt-Brecht-Allee 20
01309 Dresden

Laufzeit:
11/2006-01/2009

Förderkennzeichen:
15008 BR

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi / AiF)

Schlagworte:
Schwingquarz-Sensoren, Aerosol

Aerosole 1 (BMWi, AiF, 15008 BR)

Partikel- und Tropfendetektion im Mikrometerbereich

Teilthema:
Schwingquarzsysteme zum Nachweis adsorbierter Partikel/Tropfen

Kurzbeschreibung:
Gegenstand des Kooperationsprojektes ist die Entwicklung eines Messverfahrens für Partikel und Flüssigkeitstropfen im Bereich <10 µm unter Verwendung von Schwingquarzen. Das Messverfahren soll insbesondere den Bereich der relativ niedrigen Staubkonzentrationen bis hin zur Einzelpartikeldetektion erfassen.
Mit der Entwicklung eines Messverfahrens für Staub und Partikel im Bereich von Korndurchmessern <10 µm und niedrigen Staubkonzentrationen wird auf die aktuelle Situation reagiert, die sich aus einer neuen Gesetzeslage und erweiterten Erkenntnissen zu den schädigenden Wirkungen von Staub ergibt .Bisher fehlt preisgünstige Messtechnik für die sich ergebenden weiterreichenden Kontroll- und Prüfaufgaben.
Die wichtigsten Ziele des geplanten Kooperationsvorhabens sind daher:

  • Entwicklung eines Messverfahrens für Staub bzw. Partikel im Größenbereich <10 µm auf der Basis von Schwingquarzen im niedrigen Konzentrationsbereich. Die Ergebnisse des Messverfahrens sind quasigravimetrisch und zeitnah, da sie auf Frequenzverschiebungen beruhen, die durch die Masse der auf den Schwingquarzsensoren abgeschiedene Partikel verursacht werden.
  • Erweiterung der Schwingquarzdetektion der Partikel auf Tropfen und Gestaltung des Messverfahrens in der Art, dass das Verdunsten von abgeschiedenen Tropfen oder die Hygroskopizität von abgeschiedenen Teilchen nachgewiesen werden kann.
  • Realisierung eines Funktionsmusters für die neue Messmethode in modularer Form und Nachweis der Funktion im Vergleich zu anderer Messtechnik.

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Kooperationspartner:
Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH
Bertolt-Brecht-Allee 20
01309 Dresden

Fanalmatic Gesellschaft für Umwelttechnik und Industrieautomation mbH
Köthener Straße 1a
06369 Weisandt-Gölzau

Laufzeit:
05/2002-10/03

Förderkennzeichen:
AiF KF 0342201KFK1

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi/ AiF)

Schlagworte:
Schwingquarz-Sensoren, Aerosol

Kraftsensoren aus Polymerfolien (BMBF, 03N5020 9)

Kraftsensoren aus Polymerfolien- Piezoelektrische Polymersensoren für Hochdruckanwendungen

Zielsetzung:
Auf Basis von Vinylidenfluorid-Homopolymeren (PVDF) und Vinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymeren (P(VDF/TrFE)) sollen piezoelektrische Polymersensoren für Hochdruckmessungen in der Umformtechnik entwickelt werden. Dazu ist zunächst eine Materialentwicklung notwendig, in deren Rahmen hochdruckfeste PVDF- und P(VDF/TrFE)-Folien durch Anwendung hoher Drücke und Wärmebehandlung sowie mechanischer Deformationsprozesse hergestellt und röntgenografisch sowie infrarotspektroskopisch charakterisiert werden. Durch Anwendung einer Hochfeldpolarisierung sollen elektrisch geschirmte Einelement-Sensoren mit durckstabiler Piezoelektrizität entwickelt und in der Umformtechnik erprobt werden. Zur Realisierung von Multielement-Sensoren (Zeilenelemente) werden strukturierte Elektroden aufgebracht und die Sensorelemente zur Messung der Druckverteilung eingesetzt. 

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Erich - Weinert - Straße 1
03046 Cottbus
 
Projektleiter:
Prof. Dr.  D. Schmeißer

Kooperationspartner:
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung
Kantstraße 55
14513 Teltow

Thyssen Umformtechnik Leichtbau Entwicklungs GmbH
August-Thyssen-Straße
14974 Ludwigsfelde

Laufzeit:
10/98 - 09/2000

Förderkennzeichen:
03N5020 9

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)

Schlagworte:
Kraftsensoren

Abschlussbericht:
Als Kraftmesselemente in der Umformtechnik werden heute überwiegend Kraftmessdosen auf DMS-Basis oder piezoelektrische Kraftaufnehmer in Werkzeugen verwendet. Die genannten Sensoren haben üblicherweise sehr große Bauformen und sind daher an den Krafteinleitungspunkten in Umformwerkzeugen schwer zu integrieren. Eine Messtechnik der beschriebenen Art kann also nur fest in Umformwerkzeuge eingebaut werden. Deshalb ist ein Einsatz von Messsensoren an der Schnittstelle von Werkzeug und Maschine sinnvoller. Hierbei werden jedoch überwiegend kleine Bauformen benötigt, die mit den bisherigen konventionellen Dehnungs- oder Kraftsensoren nicht zu erreichen sind.
Ziel dieses Projektes war es daher, geeignete piezoelektrische Polymersensoren flacher Bauform auf Basis von Vinylidenflourid-Homopolymeren (PVDF) und Vinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymeren (P(VDF/TrFE)) zu entwickeln.
Diese Schichten wurden auf vorstrukturierte Substrate aufgegossen und mit entsprechenden Elektroden versehen und polarisiert. Es wurden Labormuster für Einelementsensoren und Streifensensoren entwickelt und getestet. Dazu wurden verschiedene Messtechniken aufgebaut und die entsprechende Software zur Datenerfassung erstellt. Es ließ sich zeigen, dass beide Sensortypen prinzipiell im Labor kalibrierbar sind und dabei lineare Kalibrierungskennlinien im untersuchten Bereich bis 50kN aufweisen. Für drei Messaufgaben im Tiefziehwerkzeug konnte der Nachweis erbracht werden, dass die entwickelten P(VDF/TrFE)-Sensoren ihre Aufgaben zur Beurteilung des Umformprozesses erfüllen.
So wurde mit der Applikation mehrerer Einelementsensoren unter sogenannte Ferkelbeine gezeigt, dass diese Druckbolzen unterschiedlichen Belastungen unterworfen sein können, was durch Verkippungen im Werkzeug hervorgerufen werden kann.
Mit Streifensensoren konnten im Niederhalterbereich Kraftverteilungen gemessen werden, die das Einlaufverhalten von Blechen und Blechdickenverteilungen widerspiegeln.
Bei Messungen unter dem Stempel des Werkzeuges kam es zu Messbereichs-überschreitungen, jedoch konnten in den Anfangsdaten Zeitverzögerungen festgestellt werden, die dem Einrollen des Griffmuldenstempels zugeordnet werden können.
Eine Integration der Messsignale, die nur Kraftänderungen beschreiben, muss in jedem Fall erfolgen, um Aussagen über den Prozess vornehmen zu können. Speziell bei Messungen im Niederhalterbereich erwies sich die Entwicklung von Impedanzwandlern als notwendig, um überhaupt Messsignale detektieren zu können.
Zielsetzung für einen nächsten Entwicklungsschritt wäre der Aufbau eines Multielementsensorarrays, mit dem über große Werkzeugflächen die Flächenpressung aufzuzeichnen ist. Wichtig ist es jedoch, auch für die Vielzahl von Messstellen geeignete Auswertestrategien und Programme zu entwickeln. Ein Konzept zur Erweiterung des Streifensensors zu einem Matrixsensor liegt vor.
Hiermit kann dem Werkzeugmacher ein Instrument für die Einarbeitung eines Werkzeuges in die Hand gegeben werden, dass im Einarbeitungsprozess den Tuschieraufwand reduzieren hilft. 

Sensoren und Sensormaterialien für schwefel- oder stickstoffhaltige Stoffgruppen (BMBF)

Entwicklung von Sensormaterialien und Sensoren zur spezifischen Detektion von schwefel- oder stickstoffhaltigen Stoffgruppen

Kurzbeschreibung:
Im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes sollen erste Voraussetzungen für die Entwicklung preiswerter Sensoren und Sensormaterialien zur spezifischen Detektion von schwefel- und stickstoffhaltigen Stoffgruppen realisiert werden. Die Aufgabe besteht in der Entwicklung eines hochselektiven, sensitiven, chemischen bzw. biochemischen Sensors,der sich durch hohe Reproduzierbarkeit, einfache Handhabung, hohe Langzeitstabilität und geringe Kosten auszeichnet. Als neuartige Sensoren für die Analyse von Gaskomponenten sollen massensensitive Schwingquarzsenoren eingesetzt werden. Ein Nachweis des Analytgases erfolgt durch die reversible Anlagerung (Adsorption) des Gases an die Polymeroberfläche des Sensors. Diese Gasanlagerung führt zu einer Massenzunahme des Polymerfilms, die mit hoher Auflösung als Änderung des Resonanzfrequenz registriert werden kann. Für die selektive Bestimmung von schwefel- und stickstoffhaltigen Gasmolekülen, die stechend und unangenehm riechen, müssen chemisch resistente Polymere gefunden und entsprechend den Anforderungen optimal angepasst werden. Mit diesen neuartigen Sensoren können dann die stickstoff- und schwefelhaltigen gasförmigen Stoffe auch bei niedrigen Temperaturen (20° - 100° C) nachgewiesen werden. Neben der Entwicklung entsprechend langzeitstabiler Polymerschichten sind die sensorrelevanten Kenndaten wie zum Beispiel die Querempfindlichkeit, die Signalstabilität, die Drift und das Ansprechverhalten zu charakterisieren und zu optimieren.

Projektleiter:
Dr. Födisch

Kooperationspartner:
Dr. Födisch Umwelttechnik GmbH

Laufzeit:
02/99 - 12/2000

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)

Schlagworte:
Sensormaterial

Abschlussbericht:
In diesem Projekt wurden Sensorbeschichtungen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Detektion von gesundheitsgefährdenden Gasen synthetisiert und getestet. So wurden Polysiloxane mittels Airbrush-Technik, Phthalocyanine auf nasschemischen Weg und Polypyrrole elektrochemisch auf Schwingquarzoberflächen aufgebracht und anschließend bezüglich ihrer Sensitivität  gegenüber verschiedenen Gasen getestet.
Es konnte gezeigt werden, dass es gelingt, mit verschiedenen Beschichtungen Schadtstoffkonzentrationen bis auf wenige ppm nachzuweisen. Bei den Poysiloxanbeschichtungen besitzen die Copolymersiloxane einen entscheidenden Einfluss auf die Selektivität oder/und auf die Sensitivität.
Der Einfluss der Luftfeuchte auf die Messergebnisse ist sehr hoch und muss durch eine entsprechende Konditionierung der Probennahme ausgeschlossen werden (Gaskühler). Bei vielen der getesteten Schichten sind die Ansprechzeiten der Sensoren relativ hoch. Messungen bei höheren Temperaturen schaffen hier Abhilfe. Die Sensitivität wurde über Schichtdickenvariationen optimiert.Da dieses Projekt parallel zu Untersuchungen an Stallluftproben aus der Tierhaltung durchgeführt wurde, galt hier der Auswahl geeigneter Beschichtungen für die Geruchsmustermessungen an diesen Proben ein Hauptaugenmerk. Aus den vorliegenden Ergebnissen wurden folgende vier Beschichtungen besonders für die Durchführung von Stallluftmessungen festgelegt: PAPOS, PCEEOS, BGSiPc und PopySiPc.
PAPOS zeigte hohe Sensitivitäten gegenüber NO2 und CO2, gegenüber NH3 dagegen keine Querempfindlichkeit. PCEEOS erbrachte sehr hohe Sensorsignale bei NO2 und auch bei H2S, für NH3 ist es dagegen nur schwach sensitiv. Bei diesen beiden Beschichtungen handelt es sich um Polysiloxane. Mit den auf Siliziumphthalocyanin basierenden  Beschichtungen BGSiPc und PopySiPc konnten hohe Sensorausschläge auf NH3 und auch optimierbare auf NO2 nachgewiesen werden.
Aufgrund der Abdeckung von CO2-, NH3-, NO2- und H2S-Einflüssen verschiedener Stärken und Kombinationen wurden deshalb diese vier Beschichtungen für die Stallluftmessungen und der damit verbundenen Geruchsmustererkennung verwendet.

Sensorarray für umwelt- und tierphysiologisch relevante Komponenten (BMBF)

Aufbau eines Sensorarrays zur spezifischen Detektion von umwelt- und tierphysiologisch relevanten Komponenten

Kurzbeschreibung:
Im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes sollen die Grundlage zum Aufbau eines Sensorsystems zurspezifischen Bestimmung von umwelt- und tierphysiologisch relevanten Komponenten selektive Sensoren zur Gasbestimmung so geschickt verknüpft werden, daß Gasgemische eindeutig in ihrer Konzentration und Zusammensetzung bestimmt werden können. Eine Zielgruppe für das vorliegende Projekt ist die landwirtschaftliche Intensivtierhaltung. Durch die derzeit angewandten Aufzucht- und Mastbedingungen bestehen im Stallbereich große Probleme mit der Optimierung der Luftqualität. In der Stallluft reichern sich vor allem die Gase Ammoniak, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Lachgas, Methan und Schwefelwasserstoff an. Durch die preiswerte Stallluftanalytik können die gesetzlich geforderten Schadstoffkonzentrationen von Ammoniak (NH3), Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) überwacht und durch eine bedarfsgerechte Lüftung innerhalb der geforderten Grenzen gehalten werden. Neben diesen in der Schweinehaltungs- und Kälberhaltungsverordnung beschriebenen Mindestanforderungen sind jedoch auch die Geruchsemissionen und -immissionen und die Konzentrationen von Schadstoffen in der Luft, die MAK- Werte (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) zu berücksichtigen. Zur Bewältigung des Vorhabens sollen Gassensorsysteme zur Bestimmung von umwelt- und tierphysiologisch relevanten Komponenten wie Luftfeuchtigkeit, Lachgas, Ammoniak, Aminen, Schwefelwasserstoff, Mercaptanen, Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Sauerstoff durch ein neuronales Netz ("intelligentes Netz") verknüpft werden, sodaß quantitative Aussagen über die Konzentration und Art des Gases im Gemisch getroffen werden können. Die Grundlage für dieses Sensorsystem bilden massensensitive , selektive Schwingquarzsensoren auf der Basis speziell beschichteter Polymere.

Projektleiter:
Dr. Födisch

Kooperationspartner:
Dr. Födisch Umwelttechnik GmbH

Laufzeit:
02/99 - 12/2000

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)

Schlagworte:
Sensorarray

Abschlussbericht:
In der geschlossenen Stallhaltung anfallende Biogase weisen einen hohen Anteil verschiedener, zum Teil als stark geruchsbelästigend empfundene und auch gesundheitsgefährdende Inhaltsstoffe wie z.B. NH3, CO2, CH4, H2S sowie NOx auf. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Zuchtbedingungen, die mit diesem Projekt aufgezeigt wird, ist die Idee einer gezielten sensorgesteuerten Stalllüftung.
Zur Umsetzung dieses Projektzieles erfolgte die Entwicklung und Erprobung eines Sensorarrays aus Silizium-Phthalocyanin- bzw. Polysiloxan-beschichteten Schwingquarzen mit welchem es gelang, Schadstoffkomponenten in der Stallluft zu detektieren.
Im Ergebnis der Untersuchungen zum Einfluss der Prozessparameter wurde die optimale Arbeitstemperatur bei 65°C festgelegt. Bei dieser Temperatur wurden charakteristische Geruchsmuster ausgewählter Luftarten (Huhn, Rind, Raumluft) sowie ausgesuchter Einzelkomponenten (CO2, NH3, NO2) erstellt und eindeutig unterschieden. Innerhalb der Stallluftproben sind querempfindlichkeitsbedingte Überlagerungen der Einzelkomponenten zu verzeichnen. In Analogie zur Olfaktometrie untersuchte Verdünnungseffekte haben keinen Einfluss auf die Geruchsmuster. Sie wirken sich ausschließlich auf die Signalhöhen der Sensoren aus.
In den Untersuchungen zu neuronalen Netzen konnten Ergebnisse erzielt werden, die besagen, dass bei einem Zweikomponentengemisch aus CO2 und relativer Luftfeuchte die CO2-Konzentrationen mit einem Fehler kleiner/gleich 10% und die relative Luftfeuchte mit einem Fehler kleiner/gleich 5% erkannt wurde. Speziell bei höheren CO2-Konzentrationen traten die größeren Fehler auf, was hinsichtlich einer Anwendung so ausgenutzt werden könnte, dass bei Überschreitung eines Grenzwertes (z.B. 400ppm) eine Lüftung zugeschalten wird und unterhalb des Grenzwertes die Konzentrationen  angezeigt werden können.
Es konnte mit einem weiteren neuronalen Netz gezeigt werden, dass die gemessenen Geruchsmuster von Stallluftarten und Einzelgasen eindeutig klassifiziert werden konnten. Simulationen von Verdünnungseffekten und Messwertschwankungen zeigten, dass Verdünnungen bis auf 33% und Messwertschwankungen von 5-10% immer noch eindeutige Zuordnungen der Muster erlauben.

SekoSub-Polymelek (BMBF)

Abschlussbericht:
K. Henkel, I. Paloumpa, A. Oprea, G. Appel, D. Schmeißer, W. Frandsen, M. Schölzel: Entwicklung von Sensoren mit Elektroden aus leitfähigen Polymeren.

Teilbericht 16SV335/7 im Gemeinsamen Abschlussbericht zum Verbundprojekt Sensoren mit mikrostrukturierten Elektroden aus leitfähigen Polymeren, Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein e.V., Schloss Hohenstein, D-74357 Boennigheim, März 2000

Ziel dieses Projektes  war der Einsatz polymerbeschichteter Schwingquarze für die Überwachung von Kohlenwasserstoffkonzentrationen in Textilreinigungsmaschinen und Arbeitsräumen.
Hier wird über Aufbau und Wirkungsweise eines Prototypen eines Raumluftsensors berichtet. Als beste Beschichtung auf konventionellen Schwingquarzen (Silber- oder Goldelektroden) zur  Detektion von Kohlenwasserstoffen kristallisierte sich Polytetradecylmethylsiloxan (PTDMS) heraus. Der PTDMS-beschichtete Quarz verhält sich von 10 bis 1200 ppm nahezu linear mit einer hohen Empfindlichkeit und kleiner Zeitkonstante (Sekundenbereich), was ein schnelles Reagieren auf Konzentrationsüber-schreitungen über den MAK-Wert (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) zulässt. Die Empfindlichkeit und die Stabilität steigen mit niedrigeren Temperaturen (25 °C). Luftfeuchte, Art und Durchflussmenge des Trägergases haben nur geringe Einflüsse.
Umfangreich werden die Eigenschaften des leitfähigen Polymers Polypyrrol sowie seiner Modifizierungen und Versuche zur Realisierung von Elektroden aus diesem Polymer dargestellt. Es gelang, Schwingquarze mit polymeren Elektroden durch Elekropolymerisation herzustellen. Diese wiesen eine Resonanzfrequenz bei 10 MHz auf, die in einem Zeitraum von 57 Stunden nur um 4 Hz schwankte.
Sensitiv reagierten diese Quarze auf Kohlenwasserstoffe und auf Luftfeuchte und besonders stark auf NO2 und die Gasdurchflußmenge. Damit gelang es erstmals, Polypyrrol auf dem Schwingquarz gleichzeitig sowohl als Elektrode als auch als sensitive Schicht zu nutzen.

Entwicklung eines Sensor- Systems zur kontinuierlichen Überwachung von organischer Substanz (SekoSub)

Thema:
"Sensoren mit mikrostrukturierten Elektroden aus leitfähigen Polymeren - Polymelek"Teilvorhaben: Material- und herstellungsseitige Bearbeitung der sensitiven Polymerschicht und der Elektroden aus leitenden Polymeren

Projektziel:
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines kostengünstigen Sensor-Systems zur kontinuierlichen Überwachung von umweltrelevanten organischen Gasen. Das Gerät soll im Rahmen des Vorhabens einerseits zum Nachweis von Perchlorethylen und von löslichen Kohlenwasserstoffen in chemischen Reinigungsanlagen und andererseits zum Nachweis von umweltrelevanten Emissionen, Immissionen und Gerüchen als olfaktometrisches Schwellwertmeßgerät verwendet werden. Das Sensor- Meßsystem arbeitet mit mikrostrukturierten Sensoren bestehend aus Schwingquarz, Elektroden und sensitiver Beschichtung. Funktionalisierte Polymere dienen als selektives Beschichtungsmaterial für die Detektion von aliphatischen, aromatischen und halogenierten Kohlenwasserstoffen. Die Polymere werden einerseits optimiert zum Einsatz als hoch-selektive Sensoren bei der kontinuierlichen Überwachung von umweltbelastenden Lösungsmitteln in Reinigungsanlagen und andererseits als breitbandige Sensoren für Komponenten aus Gasgemischen.

Ausführende Stelle:
Lehrstuhl Angewandte Physik II - Sensorik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Erich - Weinert - Straße 1
03046 Cottbus

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Kooperationspartner:
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen
Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein
Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Dresden
Fa. Böwe-Passat in Augsburg
Fa. Geosys in Leipzig
Fa. Dr. Födisch Umweltmeßtechnik GmbH in Kulkwitz

Laufzeit:
10/1996 - 09/1999

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)

Schlagworte:
Polymelek

Umformtechnologien für die Verarbeitung von Walzprodukten aus Magnesiumlegierungen (BMBF)

Entwicklung von Umformtechnologien für die Verarbeitung von Walzprodukten aus Magnesiumlegierungen

Kurzbeschreibung:
Die derzeitigen umfangreichen Bemühungen für den Einsatz von Magnesiumlegierungen für Walzprodukte sollen grundlegend gestützt werden durch die Charakterisierung von geeigneten Material- und Umform-Technologien für die erstmalige Entwicklung eines Umformverfahrens.
Die Materialeigenschaften der Ausganglegierung sollen erfasst werden. Geeignete Walzbedingungen sind zu definieren und die erhaltenen Materialparameter mit den Umformeigenschaften zu korrelieren. Diese Untersuchungen dienen als Voruntersuchung für die Verarbeitung von Walzprodukten aus Magnesiumlegierungen.

Projektleiter:
Prof. Dr. D. Schmeißer

Kooperationspartner:
TU Bergakademie Freiberg
BTU Cottbus, LS Konstruktion und Fertigung I
BTU Cottbus, LS Allgemeine Werkstofftechnik
TULE GmbH, Ludwigsfelde
Volkswagen AG, Wolfsburg

Laufzeit:
10/1998 - 03/2000

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)

Schlagworte:
Magnesiumlegierungen

Umformende Fügetechniken zur Verbindung von Stahl und Aluminium (BMBF)

Entwicklung von umformenden Fügetechniken zur Verbindung von Stahl und Aluminium

Kurzbeschreibung
Ziel des Vorhabens ist es, ein umformendes Fügeverfahren zu entwickeln, um in der Fertigung von Blechbauteilen Stahl und Aluminium miteinander zu verbinden. Durch das mechanische Wirkprinzip soll ein Aufschmelzen der Fügepartner und damit ein Auftreten intermetallischer Verbindungen vermieden werden. Dazu erfolgt eine systematische Untersuchung der Bedingungen für die Kaltverschweißung (Flächenpressung, Formänderung, Temperatur, Werkstoff), und die entstehenden Verbindungen werden insbesondere in der Fügegrenzschicht metallografisch und spektromikroskopisch alanysiert. Da bei vielen Bauteilen ohnehin ein umformender Herstellungsprozess vorhanden ist, können derartige Verfahren in den normalen Fertigungsablauf integriert werden. Außerdem soll versucht werden, das Fertigungsverfahren so zu gestalten, dass auch blechebene Verbindungen der beiden Werkstoffe zur Optimierung von großflächigen Bauteilen möglich werden.

Projektleiter:
Dr.-Ing. Jörg Rauer

Kooperationspartner:
BTU Cottbus, LS Konstruktion und Fertigung I
BTU Cottbus, LS Allgemeine Werkstofftechnik
TULE GmbH, Ludwigsfelde

Laufzeit:
10/1998 - 09/2001

Fördernde Institution:
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)

Schlagworte:
Aluminium/Stahl

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