title: Pulse-Laser-Induced diagnostics of the ablation behaviour and laser spectroscopic analysis of copper oxide and basic copper sulfate
Creators: name: Giesriegl, Ariane
Publisher: name: :none
Year: 2015

description: 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.
description: 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.