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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-85813
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8581/


Güder, Firat

Atomic layer deposition assisted nanostructural transformations

Atomlagenabscheidung unterstützt Nanostrukturelle Transformationen

Dokument1.pdf (24.928 KB) (md5sum: 49a193ba3031eca88c55f9fc0bbcea90)

Kurzfassung in Deutsch

Atomlagenabscheidung (ALD), auch Atomlagenepitaxie und Atomlagen chemische Gasphasenabscheidung genannt, ist ein chemisches Gasphasenabscheidungs-Verfahren, welches in der Lage ist, konforme anorganische und organisch-anorganische Hybrid-Filme bis auf wenige Angström Dicke in einem breiten Temperaturbereich mit hoher Qualität herzustellen. Dieses Dünnfilm-Abscheideverfahren ersetzt die kontinuier-lichen Gas-Reaktionen, wie sie im Falle von herkömmlichen chemischen Gasphasen-abscheidungs Verfahren vorhanden sind, mit diskreten und sequentiellen Oberflächenreaktionen, welche das Beschichten von komplexen 3D-Nanostrukturen ermöglichen.
Diese Arbeit wird in zwei Bereiche unterteilt. Der erste Bereich untersucht den Einsatz von ALD basierenden dünnen Filmen als eine mögliche Methode, um verschiedene anorganische poröse Nanostrukturen, wie poröse ummantelte Nanodrähte und dünne Filme, zu erstellen. Darüber hinaus wird die Anwendung der ALD zur Oberflächenmodifizierung und Funktionalisierung von Nanodrähten untersucht.
Im zweiten Bereich wird die Abscheidung von Beschichtungen auf ALD temperaturempfindlichen organischen Materialen bewertet.
Im zweiten Kapitel erfolgt ein gründlicher Blick auf die ALD-Technik, kombiniert mit dem nanoskaligen Kirkendalleffekt, zur Wandlung von ZnO Nanokristallen mit einem hohen Aspektverhältnis (d.h. Nanodrähte) in Spinel ZnAl2O4 Nanoröhrchen oder Kern-Poren ummantelte Nanodrähte bei relativ hohen Temperaturen (> 700˚C) durch Umsetzen der ZnO Nanodrähte mit einem ALD Al2O3 Mantel. Die Auswirkungen von Manteldicke, Kerndurchmesser, Glühtemperatur und thermo-mechanische Belastung auf die kontrollierte Porosität werden untersucht und diskutiert. Darüber hinaus wird die kontrollierte Porosität durch den nanoskaligen Kirkendalleffekt in Al2O3 − ZnO planaren nanolaminaten Schichten untersucht. Dieses System stellt ein komplexeres Modell durch das Fehlen von 2D oder 3D räumlichen Begrenzungen, dem Vorhandensein von kristallinen Körnchen in den ZnO Schichten, sowie der bidirektionalen Materialdiffusion zwischen benachbarten Schichten, dar. Der Einfluss der räumlichen Begrenzung, Schichtdicke (Korngröße), Kristallinität, bi-direktionale Diffusion, Glühtemperatur und Dauer, sowie die thermo-mechanische Belastung auf Porosität und orenmorphologie des endgültigen Spinels werden bewertet. Im letzten Teil dieses Kapitels wird eine neue Methode zur Verbesserung der optischen Eigenschaften von ZnO ALD basierenden dünnen Filmen offenbart.
Diese neue Strategie beinhaltet die Einführung von Grenzflächen Hohlräumen in der Si − ZnO Grenzfläche durch Zugabe von einer dünnen Al2O3 Pufferschicht.
Durch Hochtemperatur-Tempern verbessern die Kirkendall Hohlräume in der Film-Substrat-Grenzfläche den Near-Band-Edge/Deep-Level Emissionsgrad auf bis zu acht Mal. Der Einfluss der Pufferschicht Dicke und Porengröße auf die optischen Eigenschaften werden im Detail vorgestellt.
Kapitel 3 untersucht eine neuartige Oberflächentransformationsmethode unter Verwendung von ALD beschichteten ZnO−ZnO Homoübergang ummantelten-Nanodrähten.
Diese neue Strategie beinhaltet die Transformation von monokristallinen ZnO Nanodraht Oberflächen von glatten unpolaren in Zickzack polaren durch Verwendung von ALD basierenden dünnen Schichten und atomaren Diffusionsprozessen bei hoher
Temperatur. Durch Ausnutzen der unterschiedlichen atomaren Diffusionskoeffizienten zwischen mono- und polykristallinen Schichten können ZnO−ZnO Homoübergang ummantelte Nanodrähte ebenfalls in poröse Zickzack ZnO Nanodrähte umgewandelt werden. Drei verschiedene Gruppen von Nanodrähten, nämlich monokristalline ZnO Nanodrähte mit unpolaren glatten Oberflächen, ZnO−ZnO ummantelte Homostrukturen sowie Zickzack ZnO Nanodrähte mit polaren Oberflächen wurden als Bauteile für den Einsatz als Raumtemperatur Ozon-Sensoren integriert, um den Einfluss von Oberflächeneigenschaften auf die Funktionalität zu bestimmen.
Und schließlich wird im vierten Kapitel ein neues Verfahren zur Herstellung von ultralangen sub-100 nm Nanokanälen im Wafer-Maßstab vorgestellt. Dieser neue Ansatz verbindet Niedrigtemperatur-ALD mit Nahfeld Phasenverschiebungs Lithographie, um Millimeter lange sub-100 nm planare anorganischen Nanokanäle über eine große Fläche wie einem 4" Si oder Glaswafer zu erzeugen. Das Herstellungsverfahren umfasst die Strukturierung eines lichtempfindlichen Polymers, die ALD Beschichtung sowie das anschließende Entfernen des Resist-Kerns, um die Kanäle zu bilden.
Die Ablagerung von verschiedenen ALD basierenden dünnen Filmen auf temperaturempfindlichen Materialien wird demonstriert. Die erzeugten Millimeter langen Kanal Arrays werden dann als Nanoreaktoren/Templates für die Synthese von verschiedenen organischen und anorganischen ummantelten-Nanostrukturen eingesetzt.


Kurzfassung in Englisch

Atomic layer deposition (ALD), also known as atomic layer epitaxy and atomic layer chemical vapor deposition is a chemical vapor deposition technique that is capable of producing high quality, conformal inorganic and hybrid organic-inorganic films down to a few angstroms in thickness in a wide temperature window. This thin film deposition method replaces the continuous gas reactions as in the case of conventional chemical vapor deposition, with discrete and sequential surface reactions allowing coating of highly complex 3D nanostructures.
This thesis consists of two parts. The first part investigates the use of ALD thin films as a possible method to create various inorganic porous nanostructures such as porous core-shell nanowires and thin films. In addition, application of ALD for surface modification and functionalization of nanowires is studied. In the second part, deposition of ALD coatings on temperature sensitive organic matter is evaluated.
Chapter 2 takes an in-depth look at the ALD technique, in combination with the nanoscale Kirkendall effect, for transforming high aspect ratio ZnO nanocrystals (i.e. nanowires) into spinel ZnAl2O4 nanotubes or core-pore-shell nanowires at relatively high temperatures (>700˚C) by reacting the ZnO core with the ALD Al2O3 shell. The effects of shell thickness, core diameter, annealing temperature and thermo-mechanical stress on controlled porosity are examined and discussed.
Furthermore, controlled porosity by the nanoscale Kirkendall effect in Al2O3−ZnO planar nanolaminate films is investigated. This system represents a more complex model due the absence of 2D or 3D spatial confinement and the presence of crystalline grains in the ZnO films as well as bi-directional material diffusion among adjacent layers. The influence of spatial confinement, film thickness (grain size), crystallinity, bi-directional diffusion, annealing temperature and time, and thermo-mechanical stress on porosity and pore morphology of final spinel products are evaluated. In the last part of this chapter, a new method to improve optical properties of ALD ZnO thin films is revealed. This new strategy involves introduction of interfacial voids in the Si − ZnO interface by addition of a thin Al2O3 buffer layer.
Upon high-temperature annealing, Kirkendall voids formed in the film-substrate interface improve the Near-Band-Edge/Deep-Level emission ratio by as much as eight folds. The influence of buffer layer thickness and void size on the optical properties is presented in detail.
Chapter 3 investigates a novel surface transformation method using ALD coated ZnO−ZnO homojunction core-shell nanowires. This new strategy involves transformation of monocrystalline ZnO nanowire surfaces from smooth nonpolar to zigzagged polar using ALD ZnO thin films and high temperature atomic diffusion processes.
Utilizing the different atomic diffusivities between mono and polycrystalline layers, ZnO − ZnO core-shell homojunction nanowires can also be converted into porous zigzagged ZnO nanowires. Three different set of nanowires, namely monocrystalline ZnO nanowires with smooth nonpolar surfaces, ZnO − ZnO core-shell homostructures and zigzagged ZnO nanowires with polar surfaces were integrated into devices for use as room temperature ozone sensors to determine to role of surface properties on functionality.
And finally in Chapter 4, a new process for the wafer scale fabrication of ultra long sub-100 nm nanochannels is presented. This new approach combines low-temperature ALD and Near-Field Phase Shift Lithography to generate millimeter long sub-100 nm planar inorganic nanochannels over a large area such as a 4” Si or glass wafer. The fabrication process involves patterning of a photo-sensitive polymer, ALD coating and subsequent removal of the resist core to form the channels. Deposition of various ALD thin films on temperature sensitive materials is demonstrated. The produced millimeter long channel arrays are then employed as nanoreactors/templates for the synthesis of various organic and inorganic core-shell nanostructures.


SWD-Schlagwörter: Atomlagenabscheidung
Freie Schlagwörter (deutsch): Nanotechnologie , Nanomaterialen , Atomlagenabscheidung , ZnO , Al2O3 , TiO2 , Kirkendall-Effekt , Stress,Homouebergang Nanostrukturen , Nanokanäle
Freie Schlagwörter (englisch): nanotechnology , nanomaterials , atomic layer deposition , ZnO , Al2O3 , TiO2 , Kirkendall effect , stress , homojunction nanostructures, nanochannels
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zachrias, Margit (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.05.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 29.05.2012
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