Direkt zum Inhalt | Direkt zur Navigation

Eingang zum Volltext

Lizenz

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-81973
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8197/


Subannajui, Kittitat

ZnO nanowires : fabrication, properties and devices

ZnO-Nanodrähten Herstellung : Eigenschaften und Devices

Dokument1.pdf (21.580 KB) (md5sum: 6eac9aa5eb32b57a8fc67f65ef4b2943)

Kurzfassung in Deutsch

Die Halbleitertechnik wurde im letzten Jahrhundert gründlich erforscht. Die meisten Entwicklungen, wie z.B. CMOS, Speicherelemente und Sensoren sind in der elektronischen Roadmap enthalten wobei die konventionelle Herstellung von Elektronik erst kürzlich ihre Grenzen erreicht hat. Die Nanotechnologie erweist sich als eine viel versprechende Technologie für den technologischen Durchbruch mit idealen physikalischen Eigenschaften. Die nanoskalige Zusammenführung, Nano Architektur, nanoskalige Kristallographie und die Eigenschaften gehören zu den attraktivsten Themen in der derzeitigen wissenschaftlichen Kommunikation.
Halbleitende Nanodrähte wurden als ein viel versprechendes semi-eindimensionales System für zukünftige elektronische Bauelemente aufgrund ihrer faszinierenden Eigenschaften untersucht.
In dieser Arbeit werden die ZnO Nanodrähte in Hinsicht auf die Herstellung, Kristallographie, elektrischen Eigenschaften, optischen Eigenschaften sowie die sensorischen Eigenschaften vorgestellt. Die ZnO Nanodrähte wurden durch die Gasphasenabscheidung mithilfe einer geregelten Sauerstoff Umgebung synthetisiert, welches in einen zuverlässigen Wachstumsprozess resultiert ist.
Zunächst werden die Analyse und die Optimierung des Wachstumsprozesses betrachtet. Die detaillierte Studie wird auf die carbothermische Reduktion, der Substratauswahl, der Synthese Temperatur, den Druck, sowie den Sauerstoffgehalt hin untersucht. Diese Studie liefert die optimierten Basisdaten für die Bauelementherstellung in den hinteren Kapiteln. Der konventionelle ZnO Syntheseprozess wurde analysiert und verbessert mithilfe eines Zwei-Zonen-Systems, welches eine unabhängige Temperaturregelung zwischen der Quelltemperatur und der Substrattemperatur ermöglicht. Die Kalibrierung wird mit einem Quelle-Substrat-Temperatur-Diagram durchgeführt, in dem die Nanostruktur abhängig der Wachstumsbedingungen vorhergesagt werden kann.
Des Weiteren wird der ZnO Nanodraht Wachstum mittels eines weiteren speziellen Additivs, namens „ionische Flüssigkeit“, untersucht. Diese organische Substanz, welche normalerweise nicht zur Dotierung verwendet wird, kann das charakteristische Nanodraht Wachstum drastisch von VS nach VLS verändern. Der Mechanismus ist bis jetzt noch unklar, aber es wird die Annahme vorgeschlagen, dass der Wachstumsmodus durch eine zusätzliche Karbonquelle im System geändert wird. Durch die Justage des Sauerstoffgehaltes kann die Ausrichtung der VLS ZnO Nanodrähte gesteuert werden. Offenbar kann die ionische Flüssigkeit dazu verwendet werden, um die Wachstumsorientierung von der c-Orientierung (polar) in eine a-Orientierung (unpolar) zu ändern. Ein Vergleich zwischen polaren und unpolaren ZnO Nanodrähten zeigt, dass die physikalischen Eigenschaften hauptsächlichen von der orientierungsabhängigen Störstellenkonzentration abhängen. Während polare Nanodrähte für Sensoranwendungen geeignet sind, sind die unpolaren ZnO Nanodrähte eher für optische Anwendungen geeignet.
Obwohl die Wachstumsparameter sehr etabliert sind, sind die Vorgänge innerhalb des Wachstumsrohrs immer noch unklar, insbesondere die Transportphänomene. Mithilfe einer CFD Simulation (Ansys CFX) werden die Transporteigenschaften von Zn Gas und Argon untersucht. Das Ergebnis zeigt abhängig der Flussgeschwindigkeit einen Gegenstromtransport von Zn Gas aufgrund von Diffusion. Durch eine höhere Flussgeschwindigkeit wird eine geringere Rückdiffusion erreicht. Diese Information enthüllt ein Mysterium weshalb ZnO Nanodrähte an einer Position in Gegenstromrichtung gewachsen werden können.
Während die Kristallographie und die Synthese von ZnO Nanodrähten untersuchten wurden, konzentriert sich der nächste Abschnitt dieser Arbeit auf die Nanodraht Strukturierung, Bauelementherstellung, sowie die elektrischen Messungen. Um eine Vorlage für den ZnO Nanodrahtwachstum zu erzeugen werden Photolithographie, Nanokugel Lithographie und Phasenschieber Lithographie verwendet. Phasenschieber Lithographie ist eine flexible Methode, um Nanodrähte an jeder gewünschten Position auszurichten. Dieser Vorteil zeigt eine Möglichkeit, wie mithilfe von Nanodrähten ein komplexes elektronisches Bauelement in der Zukunft hergestellt werden kann. Darüber hinaus werden ZnO Nanodrähte im letzten Kapitel als ohmsche Kontakte, Nanodioden sowie Feldeffekt-Transistoren hergestellt, um diese auf die elektrischen Eigenschaften hin zu untersuchen. ZnO Nanodrähte, welche mittels der Gasphasenabscheidung hergestellt werden, weisen eine sehr hohe Ladungsträgerkonzentration sowie Leitfähigkeit auf. Ein simpler Prozess wird eingeführt für eine neuartige Bauelementherstellung. ZnO Nanodrähte können bei Raumtemperatur als Gassensoren betrieben werden, und können im weiteren Schritt in einen Sensorkopf integriert als eine „elektronische Nase“ verwendet werden. Mithilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Synthesetechnik, der Strukturierung und Bauelementherstellung kann die „ideale“ Nanodraht Struktur für die zukünftige elektronische Bauelementherstellung erforscht werden.


Kurzfassung in Englisch

Semiconductor technology has been thoroughly explored in the last century. Most of the studies are in the well known electronic roadmap, for example CMOS, memory devices, and sensors. Recently, the conventional electronics fabrication is driven into a limit. The nanotechnology emerges as a promising technology for the technological breakthrough with the ideal physical properties. Nanoscale assembly, nano-architecturing, nanoscale crystallography and properties are among the most attractive topics in scientific communication.
Because of their fascinated properties, semiconductor nanowires are investigated as a promising semi-one dimensional system for future electronic devices. In this thesis, ZnO nanowires were demonstrated in terms of synthesis, crystallography, electrical properties, optical properties, and sensing properties. The ZnO nanowires were synthesized by vapor phase deposition using the oxygen controlled condition, resulting in a reliable growth process. First of all, we focus on the analysis and optimization of the growth system. The detailed study is made on the carbothermal reaction, substrate selection, synthesis temperature, pressure, and oxygen content. This study serves as the basic optimized data for the device fabrication in the late chapters. The conventional ZnO synthesis process is analyzed and improved by using a two-zone system. The two-zone system allows a separated temperature control between source temperature and substrate temperature. The calibration is performed and analyzed into a single source-substrate temperature diagram in which the nanostructure can be predicted depending on the growth condition.
The ZnO nanowire growth can be further investigated with a special additive named ionic liquid. This organic substance, which is normally not used for doping, can change the growth characteristic drastically from VS to VLS. The mechanism is yet unclear, but we propose an assumption that the growth mode is changed by an additional carbon source in the system. The orientation of VLS ZnO nanowires can be controlled by adjusting oxygen content. Apparently, the ionic liquid can be used to change the growth orientation from c-orientation (polar) to a-orientation (non-polar). The comparison between polar and nonpolar ZnO nanowires shows that physical properties depend mainly on (orientation related) defect concentration. Polar ZnO nanowires are suitable for sensing application, but non-polar ZnO nanowires are superior for optical applications.
Although the successive growth parameters are well established, the extensive information inside the tube is still ambiguous, especially transport phenomena. The transport properties of Zn vapor and argon are investigated using a CFD simulation (Ansys CFX). The result indicates upstream transport of Zn vapor by diffusion, depending on the flow rates. At a higher flow rate, a lower back diffusion is simulated. This information reveals a mysterious of how we can grow ZnO nanowires at the upstream position against the flow.
While crystallography and synthesis of ZnO nanowires have been studied, the next part of this thesis concentrates on nanowire patterning, device fabrication and electrical measurements. Photolithography, nanosphere lithography, and phase shift lithography are utilized to fabricate a template for ZnO nanowire growth. Phase shift lithography allows a flexible method to align nanowires at any desired position. This advantage demonstrates a possibility for nanowires to be fabricated as a complicated electronic device in the future. Moreover, in the last chapter, ZnO nanowires are fabricated as ohmic contacts, nanodiodes, and field effect transistors to observe electrical characteristics. ZnO nanowires produced by vapor phase transport contain a very high carrier concentration and conductivity. An easy process is established for a novel device fabrication. ZnO nanowires can be used as a room-temperature gas sensor which is later on integrated as sensor heads for an electronic nose. By using the synthesis technique, patterning, and device fabrication technique in this thesis, the ideal nanowire structure for the future electronic device could be ascertained.


SWD-Schlagwörter: ZnO nanowires properties devices
Freie Schlagwörter (englisch): ZnO nanowires properties devices
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zacharias, Margit (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.07.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 26.07.2011
Indexliste