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
1 Aufgabenstellung
1.1 Literaturrecherche
1.2 Experimente
2 Grundlagen
2.1 Das Rastertunnelmikroskop
2.1.1 Das Wirkprinzip des Rastertunnelmikroskops
2.1.2 Rastertunnelmikroskopie in elektrochemischer Umgebung
2.1.3 Die Tunnelspitze
2.2 Die Nernst Gleichung
2.2.1 Bestimmung des Potentials einer Referenzelektrode
3 Literaturrecherche
3.1 Lokale Top-Down-Verfahren, Direktschreibverfahren
3.1.1 Lokale Strukturierung mittels STM im Vakuum
3.1.2 Lokale Strukturierung mittels EC-STM
3.2 Integrale Bottom-Up-Verfahren
3.2.1 Statistische Organisation
3.2.2 Selbstorganisation
3.3 Ein kurzer Überblick weiterer Nanostrukturen
3.3.1 Kohlenstoff-Strukturen
3.3.2 Selbstorganisation organischer Systeme
4 Experimente
4.1 Allgemeine Versuchsvorbereitung
4.1.1 Herstellung der Tunnelspitze
4.1.2 Präparation der elektrochemischen Zelle
4.2 Cluster-Erzeugung mit einem EC-STM-System
4.2.1 Das EC-STM-System
4.2.2 Vorgehen bei der Clustererzeugung
4.2.3 Technische Einschränkungen und Möglichkeiten des EC-STM-Systems
4.2.4 Anforderungen an das EC-STM-System zur automatischen Cluster-Array-Generierung
4.2.5 Modifikation des EC-STM-Systems
4.3 Cu-Cluster auf Au(111)
4.3.1 Durchführung der Versuche 1-2
4.3.2 Auswertung der Versuche 1-2
4.4 Pd-Cluster auf Au(111)
4.4.1 Durchführung der Versuche 3-5
4.4.2 Auswertung der Versuche 3-5
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der automatisierten Erzeugung von hochstrukturierten, metallischen Cluster-Arrays auf Substraten mittels eines elektrochemischen Rastertunnelmikroskops (EC-STM) in metallionenfreien Elektrolyten, um deren Reaktivitätseigenschaften gezielt untersuchen zu können.
- Grundlagen der Rastertunnelmikroskopie und EC-STM
- Vergleich von Top-Down- und Bottom-Up-Strukturierungsverfahren
- Methodik zur automatisierten Cluster-Array-Generierung
- Einfluss der Spitzengeometrie und Materialmenge auf die Clusterbildung
- Experimentelle Erprobung an Kupfer- und Palladium-Clustern auf Au(111)-Substraten
Auszug aus dem Buch
Die ideale Tunnelspitze und geometrische Varianzen
Die ideale Tunnelspitze läuft in einem Punkt zusammen und hat einen unendlich langen, dünnen Hals. Diese Idealgeometrie liegt in dem Interesse begründet, den Tunnelstrom nach Möglichkeit nur in vertikaler und nicht in horizontaler Richtung zu detektieren. Je breiter die Tunnelspitze ist, um so größer ist, bei Annäherung an eine, durch den Normalvektor der Oberfläche beschriebene, positive, topographische Veränderung, der Einfluß des horizontal gemessenen Tunnelstroms. Dies führt zu einer veränderten Bewegungsbahn der Tunnelspitze und damit zu einer veränderten Aufzeichnung der untersuchten Topographie. Dieser Zusammenhang ist in Abb. 2.4 dargestellt. Die Idealform der Tunnelspitze ist in der Realität nicht zu erzielen. Es können jedoch Spitzen hergestellt werden, die bestenfalls an der Spitze den Durchmesser einiger weniger Atome aufweisen und einen sich langsam konisch verdickenden Schaft besitzen.
Zusammenfassung der Kapitel
Aufgabenstellung: Definition der Ziele für die Literaturrecherche und den experimentellen Teil zur Erzeugung von Cluster-Arrays.
Grundlagen: Einführung in die Rastertunnelmikroskopie, deren Wirkprinzip, den Betrieb in elektrochemischer Umgebung sowie die Bedeutung der Nernst-Gleichung für elektrochemische Prozesse.
Literaturrecherche: Übersicht und Kategorisierung verschiedener Top-Down- und Bottom-Up-Verfahren zur Nanostrukturierung sowie eine Diskussion ihrer jeweiligen Vor- und Nachteile.
Experimente: Detaillierte Beschreibung des Versuchsaufbaus, der Modifikationen am EC-STM-System zur automatisierten Steuerung und der durchgeführten Versuchsreihen mit Kupfer- und Palladium-Clustern.
Zusammenfassung: Fazit der erzielten Ergebnisse hinsichtlich der Eignung des entwickelten EC-STM-basierten Systems zur automatisierten Cluster-Generierung und Ausblick auf Optimierungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Nanostrukturierung, Rastertunnelmikroskop, EC-STM, Cluster-Arrays, Bottom-Up, Top-Down, Elektrochemie, Selbstorganisation, Epitaxie, Kupfer-Cluster, Palladium-Cluster, Au(111), Reaktivitätsmessung, Jump-to-Contact, Mikroelektronik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und experimentellen Erprobung eines Systems zur automatisierten Erzeugung von metallischen Cluster-Arrays auf Substraten mittels elektrochemischer Rastertunnelmikroskopie.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Nanostrukturierung mittels EC-STM, der Vergleich von Top-Down- und Bottom-Up-Ansätzen sowie die experimentelle Umsetzung der präzisen Cluster-Positionierung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem hochgeordnete, metallische Cluster-Arrays in metallionenfreien Elektrolyten erzeugt werden können, um Reaktivitätsmessungen an einzelnen Clustern zu ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird das elektrochemische Rastertunnelmikroskop (EC-STM) in Verbindung mit computergesteuerten Visual-Basic-Skripten zur automatisierten Spitze-Substrat-Interaktion genutzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine umfassende Literaturrecherche zu existierenden Strukturierungsverfahren sowie einen Experimentalteil, der die Modifikation des EC-STM-Systems und die Versuche mit Cu- und Pd-Clustern beschreibt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Nanostrukturierung, EC-STM, Cluster-Arrays, Bottom-Up, Selbstorganisation und Reaktivitätsmessung charakterisiert.
Welche Rolle spielt der "Jump-to-Contact" in den Experimenten?
Der "Jump-to-Contact"-Effekt ist das physikalische Grundprinzip, bei dem die Spitze dem Substrat so weit angenähert wird, dass Materialatome überspringen und gezielt Cluster auf dem Substrat bilden.
Warum ist die Wahl des Elektrolyten für die Reaktivitätsmessungen kritisch?
In metallionenfreien Elektrolyten zu arbeiten ist essentiell, um eine unerwünschte weitere Metallabscheidung während der Messung zu verhindern, was die eindeutige Zuordnung der Reaktivität zu einem einzelnen Cluster unmöglich machen würde.
- Quote paper
- Denis Jung (Author), 2004, Nanostrukturierung von Substraten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/54565
