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
6 Zusammenfassung
A Anhang
A.1 Rezepte fur optische Lithographie
A.1.1 Lack: ma-P1215
A.1.2 Lack: MAP1205
A.2 Black Magic Programme
A.2.1 CNT Wachstum
A.2.2 Leerlauf
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die kontrollierte Ausrichtung und das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in elektrischen Feldern, um die Grundlage für die Herstellung von auf CNTs basierenden Transistoren (CNTFETs) zu schaffen.
- Untersuchung von Wachstumsparametern zur Steuerung von Ort und Richtung der CNTs.
- Entwicklung und Simulation einer Elektrodengeometrie für die gerichtete Abscheidung.
- Einsatz von CVD-Verfahren zur CNT-Herstellung unter Einfluss elektrischer Felder.
- Charakterisierung der CNT-Qualität mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Ramanspektroskopie.
Auszug aus dem Buch
2.1 Struktur von Kohlenstoffnanoröhren
Auf der Erde kommt Kohlenstoff u.a. in Form von Graphit und Diamant vor. Die Kristallstruktur des Diamanten besteht aus zwei ineinanderliegenden kubisch flächenzentrierten Gittern. Der Grund hierfür ist der tetraedisch ausgerichtete Kohlenstoff in sp3 Konfiguration. Die bindenden Orbitale sind besetzt, die antibindenden aber nicht. Dadurch wird der Diamant zum Isolator.
Im Graphit ist der Kohlenstoff in sp2 Konfiguration kovalent gebunden, hier tragen drei Elektronen zur Bindung bei. Das Gitter ist flach und die Atome ordnen sich bienenwabenförmig an. Die zwei dimensionale Gitterebene des Graphits nennt man Graphen. Die ungebundenen Elektronen im Graphen sind delokalisiert und stehen zum elektrischen Transport zur Verfügung. Wenn man die einzelnen Graphenschichten übereinanderschichtet so entsteht Graphit, deswegen ist Graphit sehr anisotrop, was die elektrischen, mechanischen und die thermischen Eigenschaften angeht.
Die Fullerene wurden 1970 von Eiji Oosawa vorhergesagt [12]. Fullerene sind kugelförmige Gebilde, die aus einer Kombination von Pentagon- und Hexagonringen bestehen. In diesem C60 Molekül sind ebenso wie beim Diamant alle Elektronen gebunden, und es ist deswegen ebenfalls ein Isolator.
Wenn man die Struktur der Kohlenstoff Nanoröhre idealisiert, so besteht diese aus einer aufgerollten Graphenschicht, und an den Enden befindet sich jeweils eine Fullerenhälfte, siehe Abbildung 2.2.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Entdeckung und das Potenzial von Kohlenstoffnanoröhren sowie das Ziel der Arbeit, deren Wachstum gezielt im elektrischen Feld zu steuern.
2 Grundlagen: Vermittelt physikalische Grundlagen zu Struktur, Eigenschaften, Herstellungsmethoden und Untersuchungsverfahren von Kohlenstoffnanoröhren.
3 Theorie: Simulation und Polarisation im Feld: Behandelt die theoretischen Hintergründe der Polarisation von CNTs und die Simulation elektrischer Feldverläufe zur Ausrichtung.
4 Entwurf, Aufbau und Prozess-Schritte: Erläutert die praktische Probenherstellung, einschließlich Lithographie, Aufdampfprozesse und den Aufbau des PECVD-Systems.
5 Auswertung: Analysiert den Einfluss verschiedener Wachstumsparameter, präsentiert Ergebnisse der Charakterisierung und zeigt Transportmessungen an den Proben.
6 Zusammenfassung: Fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und bewertet den Erfolg der Optimierung hinsichtlich der gerichteten CNT-Herstellung.
Schlüsselwörter
Kohlenstoffnanoröhren, CNT, CVD, PECVD, elektrische Felder, Feldemission, Nanotechnologie, Rasterelektronenmikroskop, Ramanspektroskopie, Lithographie, Wachstumskontrolle, Halbleiter, Transistoren, Molybdän, Potentialkontrast.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der gezielten Herstellung und Ausrichtung von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) unter Einfluss elektrischer Felder für zukünftige Anwendungen in der Nanotechnologie.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Grundlagen der CNTs, die Simulation von elektrischen Feldern sowie die technologische Prozessführung bei der Abscheidung mittels CVD und PECVD.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist die Optimierung von Wachstumsparametern, um einzelne, lange und ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren herzustellen, die für Transistoren (CNTFETs) kontaktiert werden können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine Kombination aus theoretischer Simulation (COMSOL Multiphysics) und experimenteller Halbleiterfertigung (optische Lithographie, CVD-Wachstum) sowie analytischen Methoden (REM, AFM, Raman) angewandt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Betrachtungen zur Polarisation, die technische Umsetzung des Probendesigns, den eigentlichen Herstellungsprozess und die anschließende Auswertung der Wachstumsergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Kohlenstoffnanoröhren, CVD-Wachstum, Feldorientierung, Elektrodengeometrie und elektronische Charakterisierung definieren.
Welches Material wird für die Elektroden empfohlen?
Nach verschiedenen Versuchsreihen erwies sich Molybdän aufgrund seiner thermischen Stabilität und der guten Wuchsergebnisse als das am besten geeignete Elektrodenmaterial.
Warum spielt der Potentialkontrast eine Rolle?
Der Potentialkontrast im Rasterelektronenmikroskop (REM) wird genutzt, um die ansonsten schwer sichtbaren, einzelnen Kohlenstoffnanoröhren zwischen den Elektroden sichtbar zu machen und ihre Kontaktierung zu überprüfen.
- Quote paper
- Eugen Fischer (Author), 2008, Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren in elektrischen Feldern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/135641
