Der Trend zur Miniaturisierung ist einer der wesentlichsten Merkmale der technnologischen Entwicklung im 20sten und 21sten Jahrhundert. So werden nicht nur klassische Technologien, wie zum Beispiel die Prozessortechnik, immer weiter verkleinert, sondern es wird zunehmend gezielt nach neuen Technologien im Mikro- und Nanokosmos geforscht, deren Wirkung bei makroskopischen Abmessungen häufig vernachlässigt werden kann. Bekannte Beispiele hierfür sind der Lotusblüteneffekt nanostrukturierter Oberflächen, magnetische Flüssigkeiten, „Nanohobel“ in der Medizintechnik oder der Tunneleffekt den man sich gezielt im Rastertunnelmikroskop (engl.: scanning tunneling microscope, STM) zu Nutze macht. Im Umfeld der Mikro-, Nanotechnologie und Medizintechnik wird intensiv an der Erzeugung nanostrukturierter Substrate geforscht. Diese Nanostrukturen zeichnen sich durch Abmessungen von 1-100nm aus und enthalten typischer Weise einige 10-1000 Atome. Strukturen dieser Größenordnung kennzeichnen in ihrem Materialverhalten den Übergang vom makroskopischen Festkörper zu mikroskopischen Atom- und Molekülsystemen. Durch die Nanostrukturierung erhält ein Probenmaterial an seiner Oberfläche spezielle physikalische und chemische Eigenschaften. Diese Substrate können dann beispielsweise als Elektroden in der Sensorik (Biosensoren), Mikroelektronik oder zur Molekülsynthese dienen. Die Vorteile von nanostrukturierten Materialien liegen in ihren teils ungewöhnlichen Eigenschaften. So kann die Nanostrukturierung einer Substratoberfläche zur Veränderung der Substratreaktivität genutzt werden. Dabei kann durch Nanostrukturen die Topographie der potentiellen Oberflächenenergie eines Substrats beeinflusst werden, sodass sich die Bindungsenergie an der Substratoberfläche ändert. Existieren in unmittelbarer Nähe zu einander mehrere Nanostrukturen, beeinflussen sich diese gegenseitig. Dabei verändern sich die Wellenfunktionen der Atome in den Nanostrukturen. Es kommt zum so genannten Quanten Confinement, einem Zustand, in dem die Wellenfunktionen nicht denen einzelner Atome und auch nicht von Atomen im Festkörper entsprechen, sondern Mischformen. Die daraus resultierenden, energetischen Verhältnisse können dann die Effektivität von Sensoren, oder den Wirkungsgrad von organischen Solarzellen erhöhen. [...]
Inhaltsverzeichnis
- Aufgabenstellung
- Literaturrecherche
- Experimente
- Grundlagen
- Das Rastertunnelmikroskop
- Das Wirkprinzip des Rastertunnelmikroskops
- Rastertunnelmikroskopie in elektrochemischer Umgebung
- Die Tunnelspitze
- Die Nernst Gleichung
- Bestimmung des Potentials einer Referenzelektrode
- Das Rastertunnelmikroskop
- Literaturrecherche
- Lokale Top-Down-Verfahren, Direktschreibverfahren
- Lokale Strukturierung mittels STM im Vakuum
- Lokale Strukturierung mittels EC-STM
- Integrale Bottom-Up-Verfahren
- Statistische Organisation
- Selbstorganisation
- Ein kurzer Überblick weiterer Nanostrukturen
- Kohlenstoff-Strukturen
- Selbstorganisation organischer Systeme
- Lokale Top-Down-Verfahren, Direktschreibverfahren
- Experimente
- Allgemeine Versuchsvorbereitung
- Herstellung der Tunnelspitze
- Präparation der elektrochemischen Zelle
- Cluster-Erzeugung mit einem EC-STM-System
- Das EC-STM-System
- Vorgehen bei der Clustererzeugung
- Technische Einschränkungen und Möglichkeiten des EC-STM-Systems
- Anforderungen an das EC-STM-System zur automatischen Cluster-Array-Generierung
- Modifikation des EC-STM-Systems
- Cu-Cluster auf Au(111)
- Durchführung der Versuche 1-2
- Auswertung der Versuche 1-2
- Pd-Cluster auf Au(111)
- Durchführung der Versuche 3-5
- Auswertung der Versuche 3-5
- Allgemeine Versuchsvorbereitung
- Zusammenfassung
- Visual Basic-Skripte
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Arbeit befasst sich mit der Nanostrukturierung von Substraten mittels eines elektrochemischen Rastertunnelmikroskops (EC-STM). Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur kontrollierten Erzeugung von Cluster-Arrays mittels EC-STM. Die Arbeit gliedert sich in eine Literaturrecherche, in der verschiedene Verfahren zur Nanostrukturierung vorgestellt werden, und einen experimentellen Teil, in dem die Herstellung von Cluster-Arrays mit einem EC-STM-System untersucht wird.
- Nanostrukturierung von Substraten
- Elektrochemische Rastertunnelmikroskopie (EC-STM)
- Cluster-Array-Generierung
- Literaturrecherche zu verschiedenen Nanostrukturierungsverfahren
- Experimentelle Untersuchung der Cluster-Erzeugung
Zusammenfassung der Kapitel
- Kapitel 1: Die Aufgabenstellung erläutert die Ziele der Arbeit und gliedert die Arbeit in die zwei Hauptbereiche: Literaturrecherche und Experimente.
- Kapitel 2: Dieses Kapitel beschreibt die grundlegenden Prinzipien des Rastertunnelmikroskops und der elektrochemischen Rastertunnelmikroskopie. Es werden die Funktionsweise des Rastertunnelmikroskops, die Nernst-Gleichung und die Bedeutung der Tunnelspitze erläutert.
- Kapitel 3: Die Literaturrecherche gibt einen Überblick über verschiedene Verfahren zur Nanostrukturierung von Substraten. Es werden sowohl Top-Down- als auch Bottom-Up-Verfahren vorgestellt, wobei ein Schwerpunkt auf den Verfahren mittels Rastertunnelmikroskopie liegt. Weitere Nanostrukturen, wie z.B. Kohlenstoff-Nanostrukturen und Selbstorganisation organischer Systeme, werden ebenfalls kurz besprochen.
- Kapitel 4: Der experimentelle Teil der Arbeit beschreibt die verwendeten Materialien und die Durchführung der Experimente. Es werden die Herstellung der Tunnelspitze, die Präparation der elektrochemischen Zelle und die Cluster-Erzeugung mit einem EC-STM-System ausführlich behandelt. Weiterhin werden die Ergebnisse der Experimente mit Cu- und Pd-Clustern auf Au(111) dargestellt und analysiert.
Schlüsselwörter
Die Arbeit behandelt die Themen Nanostrukturierung, elektrochemische Rastertunnelmikroskopie (EC-STM), Cluster-Arrays, Top-Down- und Bottom-Up-Verfahren, Selbstorganisation, Kohlenstoff-Nanostrukturen, Cu-Cluster, Pd-Cluster, Au(111), und die experimentelle Charakterisierung der Cluster-Arrays mittels verschiedener Methoden.
- Quote paper
- Denis Jung (Author), 2004, Nanostrukturierung von Substraten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/54565
