Entwicklung von modellbasierten Methoden zur Bestimmung von Materialeigenschaften im THz-Bereich
Daniel Stock
Die Bestimmung von Materialeigenschaften bildet die Grundlage für viele Anwendungen in Wissenschaft und Technik, die sich mit der Analyse und Detektion von Substanzen und Stoffgemischen befassen. Anhand dieser charakteristischen Eigenschaften könne Proben verglichen und eingeordnet werden. Die Analyse derartiger Materialeigenschaften im THz-Bereich ist dabei besonders vorteilhaft. Viele für die Materialanalyse relevante Stoffe weisen in diesem Spektralbereich spezifische Absorptionscharakteristika auf, typische Verpackungsmaterialien sind jedoch nahezu transparent. Durch Forschung und Entwicklung werden stetig neue Anwendungsgebiete für diese THz-Materialanalyse erschlossen. Dabei zeigt sich jedoch, dass die klassischen Verfahren zur Bestimmung der Materialeigenschaften aus spektroskopischen Messungen zunehmend an ihre Grenzen stoßen, da sie diese neuen Messsituationen nicht vollständig erfassen. Für vier solcher Fälle werden in dieser Arbeit die Einschränkungen existierender Methoden analysiert und entsprechend neue Verfahren entwickelt und verifiziert. Das erarbeitete rekursive Propagationsmodell ermöglicht die Beschreibung und Analyse von Mehrschichtsystemen mit beliebigen Schichtdickenkombinationen. Mit dem weiterentwickelten Prognoseverfahren lassen sich nicht nur die THz-Transmissionseigenschaften einer Probe vorhersagen, sondern auch die Anforderungen an das Messsystem bestimmen. Durch die eingeführte erweiterte Dünnfilmnäherung können nun auch dünne leitfähige Schichten unter Deckschichten korrekt analysiert werden. Die entwickelte materialmodellbasierte Zeitbereichsmethode reduziert die Fehler der ermittelten Materialeigenschaften um drei Größenordnungen und ermöglicht robuste Materialanalysen auch bei starken Absorptionslinien und Rauscheinflüssen. Diese neuen Verfahren überwinden die Einschränkungen etablierter Methoden und erweitern somit die Einsatzmöglichkeiten der THz-Materialanalyse für aktuelle und zukünftige Anwendungsgebiete.
