Ziel dieser Diplomarbeit war, das Kohlenstoffnanoröhrenwachstum im elektrischen Feld zu untersuchen und gezielt in einer CVD-Anlage zu steuern. Der Feldverlauf zwischen den Elektroden wurde auf unterschiedlichen Substraten simuliert. Daraufhin wurde eine passende Struktur hergestellt, die es ermöglichte, mit Hilfe
einer Spannungsquelle ein elektrisches Feld anzulegen, um Kohlenstoffnanoröhren auszurichten.
Durch Variation der Einflussfaktoren (Substrat, Elektrodenmaterial, Eisendicke, Wachstumstemperatur, Wachstumszeit, Feldstärke und Potential) wurde das Wachstum der Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) zur gezielten Herstellung einzelner, extrem langer, ausgerichteter CNTs optimiert.
Zur besseren Kontrolle der gewachsenen CNTs wurde ein einfacher Aufbau zur Ausnutzung des Potentialkontrasts mittels REM (Rasterelektronenmikroskop) realisiert. Damit war es möglich, sehr interessante Bilder zu erzeugen und den Einfluss der einzelnen Parameter zu dokumentieren.
Es ist gelungen, extrem lange, ausgerichtete CNTs von 20 Mikrometern Länge in guter Qualität (Ramanspektrum) und mit extrem hoher Ausbeute (40%) herzustellen. Die Länge und die Ausbeute der einzelnen, ausgerichteten Nanotubes ist dabei einzigartig und anderweitig meines Wissens nach nicht zu finden. Weiterhin wurde ein Transistor auf CNT Basis realisiert und die Kennlinie aufgenommen.
Diese Arbeit beinhaltet viele Bilder und Schritt für Schritt Anleitungen mit den zugehörigen Rezepten die nötig sind um die Ergebnisse zu reproduzieren.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 1.1 Zielsetzung der Arbeit
- 1.2 Gliederung der Arbeit
- 2 Grundlagen
- 2.1 Struktur von Kohlenstoffnanoröhren
- 2.2 Mechanische Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren
- 2.3 Elektrische Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren
- 2.4 Optische Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren
- 2.5 Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren
- 2.6 Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren
- 2.6.1 Wachstum und Katalysator
- 2.6.2 Bogenentladung
- 2.6.3 Laserverdampfung
- 2.6.4 Thermische CVD - Chemical Vapor Deposition
- 2.6.5 PECVD - Plasma Enhanced CVD
- 2.7 Untersuchungsverfahren von Kohlenstoffnanoröhren
- 2.7.1 REM - Rasterelektronenmikroskop
- 2.7.2 AFM - Rasterkraftmikroskop
- 2.7.3 TEM - Transmissions-Elektronenmikroskopie
- 2.7.4 Ramanspektroskopie
- 2.8 Defekte der Kohlenstoffnanoröhren
- 3 Theorie: Simulation und Polarisation im Feld
- 3.1 Theorie der Polarisation
- 3.2 Simulation
- 4 Entwurf, Aufbau und Prozess-Schritte
- 4.1 Proben - Layout
- 4.2 Optische Lithographie
- 4.3 Herstellung der Elektroden
- 4.4 Aufdampf- und Sputteranlage
- 4.5 PECVD Anlage und Prozessaufbau
- 4.6 SMU - Source Measurement Unit
- 4.7 Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren
- 4.8 Potentialkontrast
- 5 Auswertung
- 5.1 Wahl der Parameter
- 5.1.1 Substrat- und Oxidwahl
- 5.1.2 Elektrodenmaterial
- 5.1.3 Katalysatorwahl
- 5.1.4 Prozessgase
- 5.1.5 Temperatur und Wachstumszeit
- 5.1.6 Feldstärke
- 5.1.7 Potential
- 5.1.8 Zusammenfassung - optimale Parameter
- 5.2 AFM- und Ramanuntersuchungen
- 5.3 Kontaktierung
- 5.4 Transport-Messung
- 5.1 Wahl der Parameter
- 6 Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Diplomarbeit untersucht das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in elektrischen Feldern. Das Hauptziel ist die gezielte Steuerung des CNT-Wachstums in einer CVD-Anlage, um einzelne, lange und ausgerichtete CNTs für die Transistorherstellung zu erzeugen. Die Arbeit umfasst die Simulation des elektrischen Feldes, die Optimierung von Wachstumsparametern und die Charakterisierung der gewachsenen CNTs mittels verschiedener Methoden.
- Simulation und Optimierung des elektrischen Feldes für die CNT-Ausrichtung
- Einfluss verschiedener Wachstumsparameter auf die CNT-Eigenschaften
- Charakterisierung der CNTs mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Ramanspektroskopie
- Kontaktierung und elektrische Charakterisierung der CNTs
- Entwicklung eines Verfahrens zur Visualisierung der CNTs mittels Potentialkontrast im REM
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung führt in die Welt der Kohlenstoffnanoröhren ein, beschreibt ihre vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten und die Bedeutung der gezielten Wachstumskontrolle. Sie benennt die Forschungslücke, die diese Arbeit adressiert: die Ausrichtung von CNTs mittels elektrischer Felder zur Verbesserung der Kontaktierung und der Herstellung von CNT-Transistoren. Das Projekt wird im Kontext eines Gemeinschaftsprojekts der Landesstiftung Baden-Württemberg eingeordnet.
2. Grundlagen: Dieses Kapitel liefert einen umfassenden Überblick über die Struktur, die mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren. Es werden verschiedene Arten von CNTs (einwandig, mehrwandig, metallisch, halbleitend) erklärt und deren Klassifizierung anhand von Chiralitätsindizes erläutert. Darüber hinaus werden gängige Herstellungsmethoden (Bogenentladung, Laserverdampfung, CVD, PECVD) und Untersuchungsmethoden (REM, AFM, TEM, Ramanspektroskopie) detailliert beschrieben. Schließlich wird auf mögliche Defekte in der CNT-Struktur und deren Auswirkungen eingegangen.
3. Theorie: Simulation und Polarisation im Feld: Dieses Kapitel beschreibt die theoretischen Grundlagen der Polarisation von CNTs in elektrischen Feldern und die Methode der Simulation des Feldverlaufs mit Hilfe von COMSOL Multiphysics. Es werden die relevanten Gleichungen vorgestellt und die Simulationsparameter (Elektrodengeometrie, Substratmaterialien, Randbedingungen) detailliert erläutert. Die Ergebnisse der Simulationen, die den optimalen Elektrodenaufbau für die CNT-Ausrichtung zeigen, werden präsentiert und diskutiert.
4. Entwurf, Aufbau und Prozess-Schritte: Dieses Kapitel beschreibt detailliert den experimentellen Aufbau und die Prozessschritte zur Herstellung der Proben. Es beginnt mit dem Design des Probenlayouts, gefolgt von einer Erklärung der optischen Lithographie zur Strukturierung des Substrats. Die Herstellung der Elektroden durch Aufdampfen und Sputtern wird detailliert beschrieben, ebenso wie der Aufbau und die Funktionsweise der PECVD-Anlage. Der Einsatz der SMU zur Steuerung des elektrischen Feldes während des CNT-Wachstums wird erklärt, und die Methode zur Erzeugung von Potentialkontrastbildern im REM wird vorgestellt.
5. Auswertung: Dieses Kapitel präsentiert und diskutiert die Ergebnisse der Experimente. Der Einfluss verschiedener Parameter (Substratwahl, Elektrodenmaterial, Katalysator, Prozessgase, Temperatur, Wachstumszeit, Feldstärke, Potential) auf das CNT-Wachstum wird systematisch untersucht. Die Ergebnisse der AFM- und Ramanspektroskopie-Untersuchungen werden präsentiert und interpretiert. Schließlich werden die Herausforderungen und Ergebnisse der Kontaktierung und Transportmessungen der CNTs beschrieben.
Schlüsselwörter
Kohlenstoffnanoröhren, CVD, PECVD, elektrische Felder, Polarisation, Ausrichtung, Wachstumsparameter, REM, AFM, Ramanspektroskopie, Kontaktierung, Transportmessung, Simulation, COMSOL.
Häufig gestellte Fragen zur Diplomarbeit: Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in elektrischen Feldern
Was ist das Hauptthema dieser Diplomarbeit?
Die Diplomarbeit untersucht das gezielte Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in elektrischen Feldern mittels CVD (Chemical Vapor Deposition) zur Herstellung einzelner, langer und ausgerichteter CNTs für Transistoranwendungen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Optimierung von Wachstumsparametern und der Charakterisierung der gewachsenen CNTs.
Welche Methoden wurden zur Charakterisierung der CNTs verwendet?
Die gewachsenen CNTs wurden mittels verschiedener Methoden charakterisiert, darunter Rasterelektronenmikroskopie (REM), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Ramanspektroskopie. Zusätzlich wurden elektrische Transportmessungen durchgeführt.
Wie wurde das elektrische Feld simuliert und optimiert?
Die Simulation des elektrischen Feldes erfolgte mit COMSOL Multiphysics. Die Simulation diente der Optimierung des Elektrodenaufbaus für eine effiziente Ausrichtung der CNTs während des Wachstumsprozesses. Die Elektrodengeometrie, Substratmaterialien und Randbedingungen waren dabei wichtige Parameter.
Welche Wachstumsparameter wurden untersucht und optimiert?
Die Arbeit untersuchte systematisch den Einfluss verschiedener Parameter auf das CNT-Wachstum, darunter Substrat- und Oxidwahl, Elektrodenmaterial, Katalysatorwahl, Prozessgase, Temperatur, Wachstumszeit, Feldstärke und angelegtes Potential. Die optimalen Parameter wurden identifiziert und zusammengefasst.
Welche Herstellungsmethoden für CNTs wurden behandelt?
Die Arbeit beschreibt verschiedene gängige Herstellungsmethoden für Kohlenstoffnanoröhren, darunter Bogenentladung, Laserverdampfung, CVD und PECVD (Plasma Enhanced CVD). Der Schwerpunkt lag auf der PECVD-Methode im Rahmen des experimentellen Teils.
Welche theoretischen Grundlagen wurden behandelt?
Die theoretischen Grundlagen umfassen die Struktur, mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften von CNTs, verschiedene Arten von CNTs (einwandig, mehrwandig, metallisch, halbleitend) und deren Klassifizierung anhand von Chiralitätsindizes. Die Theorie der Polarisation von CNTs in elektrischen Feldern spielt ebenfalls eine wichtige Rolle.
Wie wurde die Kontaktierung der CNTs durchgeführt?
Die Diplomarbeit beschreibt die Herausforderungen und Ergebnisse der Kontaktierung der gewachsenen CNTs, die für die Durchführung von elektrischen Transportmessungen notwendig war. Details zum Verfahren sind im Kapitel zur Auswertung enthalten.
Welche Rolle spielt die Potentialkontrastmethode?
Die Potentialkontrastmethode wurde im REM eingesetzt, um die CNTs zu visualisieren. Der Aufbau und die Funktionsweise dieser Methode werden im Kapitel zum experimentellen Aufbau detailliert beschrieben.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?
Schlüsselwörter sind: Kohlenstoffnanoröhren, CVD, PECVD, elektrische Felder, Polarisation, Ausrichtung, Wachstumsparameter, REM, AFM, Ramanspektroskopie, Kontaktierung, Transportmessung, Simulation, COMSOL.
In welchem Kontext wurde diese Arbeit durchgeführt?
Das Projekt wurde im Kontext eines Gemeinschaftsprojekts der Landesstiftung Baden-Württemberg durchgeführt.
- Quote paper
- Eugen Fischer (Author), 2008, Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren in elektrischen Feldern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/135641
