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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-81368
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8136/


Röhlig, Claus-Christian

Evaluierung elastischer Eigenschaften von Mikro- und Nanostrukturen

Evaluation of elastic properties of micro- and nanostructures

Dokument1.pdf (5.167 KB) (md5sum: 839bf30ac50ef5f7c39c1990dc5765f2)

Kurzfassung in Deutsch

Die fortschreitende Miniaturisierung von Bauelementen bedarf einer dauernden Verkleinerung der funktionellen Elemente. Dies ermöglicht größere Sensitivität von Sensoren und höhere Frequenzen für Oszillatoren und Schalter sowie neuartige Anwendungen. Erforscht werden deshalb vermehrt die Eigenschaften von Materialien im Nanometerbereich. Vernachlässigt werden dabei die mechanischen Eigenschaften von Nanodrähten. Bisherige Studien zeigen jedoch inkonsistente Ergebnisse, insbesondere bei elastischen Eigenschaften.
Deshalb werden in dieser Arbeit die mechanischen Eigenschaften von Nanodrähten und Mikrostrukturen im Hinblick auf verschiedene Einflüsse untersucht. So werden größenabhängige Veränderungen und die Folgen von Material-, Prozessierungs- und Umwelteinflüssen analysiert und dargestellt. Die verwendeten Materialien sind nano-, ein- oder polykristallin. Es handelt sich um nanokristallinen Diamant, das unedle Metall Wolfram, das Edelmetall Gold sowie den Halbleiter Silizium. Die aufgebauten Strukturen sind Balken und Stege, welche durch Top-down und Bottom-up Prinzipien hergestellt werden. Diese können anschließend mit statischen und dynamischen Methoden charakterisiert werden.
Zu Beginn werden die theoretischen Modelle vorgestellt, die der Untersuchung der gefertigten Strukturen dienen. Thema hierbei ist vor allem die Balkentheorie. Daran anknüpfend werden die verwendeten Messtechniken gezeigt, wobei die Rasterkraftmikroskopie, das magnetomotorische Prinzip und die Laser-Doppler-Vibrometrie vorgestellt werden. Materialspezifisch erfolgt die Darstellung der Herstellung und der Eigenschaften der Materialien, woran sich die Prozessierung anschließt. Die Herstellung erfolgte für Wolfram-Nanodrähte mittels gerichteter Erstarrung von Eutektika und für Gold-Nanodrähte durch elektrochemisches Wachstum oder Elektronenstrahllithographie und Aufdampfen von Gold. Silizium-Nanodrähte wurden mittels Niedrigdruck-Gasphasenabscheidung hergestellt. Anschließend werden die mechanischen Eigenschaften insbesondere der E-Modul und die Festigkeit der Nanodrähte bestimmt.
Es wurde keine Größenabhängigkeit der Elastizität festgestellt. Allerdings konnten verschiedene Einflüsse festgestellt werden, die für die scheinbare Veränderung der Nanodrahteigenschaften verantwortlich sind. Dazu gehören Materialeigenschaften, wie Kristallinität und Defekte, Prozessierungs- und Umwelteinflüsse, sowie messtechnische Effekte. Diese führen zur Streuung der Daten und zu scheinbaren Größenabhängigkeiten. Davon betroffen sind ebenfalls die plastischen Eigenschaften der Materialien, wie die Streck- und die Bruchgrenze.


Kurzfassung in Englisch

The increasing demand for smaller devices requires a continuous miniaturisation of functional components. The intention is for example the advance of the sensitivity of sensors and the rise of the frequencies of oscillators and switches as well as new applications. Therefor the research focuses on the material properties at the nano-scale. The mechanical properties of the materials are neglected so far. The few studies show inconsistent results, especially with regard to elastic properties.
In this work the mechanical properties of different materials are discussed with emphasis on the influence of various aspects. This means size-effects and the consequences of material-, processing- and environmental influences. The employed materials are nanocrystalline diamond, the ignoble metal Tungsten, the noble metal Gold and the semiconductor Silicon. These materials are of nano-, single- and polycrystalline morphology. Measurable structures as bridges and cantilevers are fabricated using Top-down and Bottom-up techniques. These structures can subsequently be characterised by static and dynamic methods.
At the beginning the theoretic models for the investigation of the assembled structures are presented with an emphasis on the beam-theory. This is combined with the introduction of the measurement principles as there are the atomic force microscopy, the magneto-dynamic principle and the laser Doppler vibrometry. Afterwards depending on the material the fabrication technique and the properties are explained followed by the assembly of the structures. Tungsten nanowires are obtained by the directional solidification of eutectics and gold nanowires are grown electrochemically or defined by electron beam lithography. Silicon nanowires are grown by low pressure vapour deposition. Subsequently the mechanical properties as the Young’s modulus and strength of the nanowires are determined.
No size effects have been found for the elastic properties. However, different influences could be identified which result in apparent modifications of the nanowire properties. This includes material properties, fabrication and environmental influences as well as effects of the measurement techniques. The consequences are scattering of data and apparent size effects. The plastic properties as yield and fracture strength of the materials are also affected.


SWD-Schlagwörter: Nanodraht , MEMS , Nanoelektromechanik , Mechanische Eigenschaft , Oszillator , Elastizitätsmodul
Freie Schlagwörter (englisch): Nanowire , MEMS , NEMS , mechanical properties , Young's modulus
PACS Klassifikation 62.25.-g , 62.20.de , 62.23.Hj , 85.85.+j
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Ambacher, Oliver (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.06.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 21.06.2011
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