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Synthese und Charakterisierung von Submikro- und Nanodrahtarrays aus Platin und Nickel-Eisen zur Anwendung in mikroelektromechanischen Systemen

Hottes, Martin (2020):
Synthese und Charakterisierung von Submikro- und Nanodrahtarrays aus Platin und Nickel-Eisen zur Anwendung in mikroelektromechanischen Systemen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011557,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11557],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Aufbauend auf der Forschung der Fachgebiete Materialanalytik [3-5], Materialforschung [6-8] und Mikrotechnik und elektromechanische Systeme [9-11] werden Nanodrahtarrays „NDAs“ und Submikrodrahtarrays „SDAs“ synthetisiert und deren Eigenschaften hinsichtlich deren technischer Anwendbarkeit untersucht. Über die Ionenspur-Templatmethode können, mit der Wahl der Lochmaske, der Polymerfoliendicke, der Fluenz und der Ätzzeit, Template mit Nanokanälen mit genau definierten geometrischen Eigenschaften hergestellt werden. Die Anpassung der elektrochemischen Abscheidebedingungen der dann eingebetteten NDAs und SDAs führt zu einer hohen Ausbeute an simultan gleichmäßig gewachsenen Arrays. Das Rasterelektronenmikroskop bestätigt eine Erhaltung ihrer Gestalt und Größe nach der Optimierung des Freilegungsprozesses der im Templat gewachsenen Arrays. Für eine systematische Studie des mechanischen Verhaltens und einen Vergleich zwischen NDAs einerseits und SDAs andererseits wurde jeweils eine Serie von Arrays aus den Materialien Platin und Nickel-Eisen hergestellt. Neben den Materialien unterscheiden sich diese Arrays hauptsächlich in der Drahtanzahl, dem Drahtdurchmesser auf Nano- und Submikrometerebene sowie der Drahtlänge. Mit der Konzipierung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines neu entwickelten Nanokraftmessplatzes ist es gelungen, die freistehenden NDAs und SDAs in Hinblick auf ihr mechanisches Verhalten zu untersuchen. Dies erfolgte über die Aufzeichnung von Kraft-Weg-Kurven, die durch eine laterale Verschiebung der Arrays und der Messung der daraus resultierenden Kraft entstehen. Der Einfluss des Drahtdurchmessers, der Drahtanzahl und der Drahtlänge auf die Federkonstante der Arrays wird durch ein analytisches Modell abgebildet und mit den Messergebnissen bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Arrays über ihre geometrischen Eigenschaften gezielt mechanisch adaptierbar sind: Erwartungsgemäß lässt sich die Federkonstante reduzieren durch kleinere Drahtdurchmesser, eine kleinere Drahtanzahl und größere Drahtlängen. Sowohl die NDAs als auch die SDAs sind sehr stabil und können erfolgreich mechanisch charakterisiert werden. Die Ergebnisse legen den Grundstein für die Anwendung in neuartigen Beschleunigungssensoren und das gewonnene Wissen kann dazu eingesetzt werden, um Arrays mit einer bestimmten Federkonstante durch Anpassung der geometrischen Eigenschaften herzustellen. Die für den geplanten Einsatz als Feder-Masse-Element im Beschleunigungssensor am besten geeigneten Arrays besitzen eine kreisförmige Grundfläche mit einem Durchmesser von 50 µm und einer Drahtlänge von 30 µm, da sie eine bemerkenswerte Flexibilität gegenüber lateralen Biegebelastungen, ausgeprägte Stabilitäten über mehrere Belastungszyklen und reproduzierbare Federkonstanten besitzen, die über den Drahtdurchmesser und die Drahtanzahl eingestellt werden können.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2020
Creators: Hottes, Martin
Title: Synthese und Charakterisierung von Submikro- und Nanodrahtarrays aus Platin und Nickel-Eisen zur Anwendung in mikroelektromechanischen Systemen
Language: German
Abstract:

Aufbauend auf der Forschung der Fachgebiete Materialanalytik [3-5], Materialforschung [6-8] und Mikrotechnik und elektromechanische Systeme [9-11] werden Nanodrahtarrays „NDAs“ und Submikrodrahtarrays „SDAs“ synthetisiert und deren Eigenschaften hinsichtlich deren technischer Anwendbarkeit untersucht. Über die Ionenspur-Templatmethode können, mit der Wahl der Lochmaske, der Polymerfoliendicke, der Fluenz und der Ätzzeit, Template mit Nanokanälen mit genau definierten geometrischen Eigenschaften hergestellt werden. Die Anpassung der elektrochemischen Abscheidebedingungen der dann eingebetteten NDAs und SDAs führt zu einer hohen Ausbeute an simultan gleichmäßig gewachsenen Arrays. Das Rasterelektronenmikroskop bestätigt eine Erhaltung ihrer Gestalt und Größe nach der Optimierung des Freilegungsprozesses der im Templat gewachsenen Arrays. Für eine systematische Studie des mechanischen Verhaltens und einen Vergleich zwischen NDAs einerseits und SDAs andererseits wurde jeweils eine Serie von Arrays aus den Materialien Platin und Nickel-Eisen hergestellt. Neben den Materialien unterscheiden sich diese Arrays hauptsächlich in der Drahtanzahl, dem Drahtdurchmesser auf Nano- und Submikrometerebene sowie der Drahtlänge. Mit der Konzipierung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines neu entwickelten Nanokraftmessplatzes ist es gelungen, die freistehenden NDAs und SDAs in Hinblick auf ihr mechanisches Verhalten zu untersuchen. Dies erfolgte über die Aufzeichnung von Kraft-Weg-Kurven, die durch eine laterale Verschiebung der Arrays und der Messung der daraus resultierenden Kraft entstehen. Der Einfluss des Drahtdurchmessers, der Drahtanzahl und der Drahtlänge auf die Federkonstante der Arrays wird durch ein analytisches Modell abgebildet und mit den Messergebnissen bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Arrays über ihre geometrischen Eigenschaften gezielt mechanisch adaptierbar sind: Erwartungsgemäß lässt sich die Federkonstante reduzieren durch kleinere Drahtdurchmesser, eine kleinere Drahtanzahl und größere Drahtlängen. Sowohl die NDAs als auch die SDAs sind sehr stabil und können erfolgreich mechanisch charakterisiert werden. Die Ergebnisse legen den Grundstein für die Anwendung in neuartigen Beschleunigungssensoren und das gewonnene Wissen kann dazu eingesetzt werden, um Arrays mit einer bestimmten Federkonstante durch Anpassung der geometrischen Eigenschaften herzustellen. Die für den geplanten Einsatz als Feder-Masse-Element im Beschleunigungssensor am besten geeigneten Arrays besitzen eine kreisförmige Grundfläche mit einem Durchmesser von 50 µm und einer Drahtlänge von 30 µm, da sie eine bemerkenswerte Flexibilität gegenüber lateralen Biegebelastungen, ausgeprägte Stabilitäten über mehrere Belastungszyklen und reproduzierbare Federkonstanten besitzen, die über den Drahtdurchmesser und die Drahtanzahl eingestellt werden können.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Material Analytics
Date Deposited: 29 Mar 2020 19:55
DOI: 10.25534/tuprints-00011557
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11557
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-115579
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 2 December 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Based on the research of the study groups material analytics [3-5], materials research department [6-8] and microtechnology an electromechanical systems [9-11], nanowire arrays and submicrowire arrays are synthesized and their properties in terms of their technical application are investigated. By means of the ion-track template method, templates consisting of nano channels with well-defined geometeric properties can be produced by choosing a proper shadow mask, polymer foil thickness, fluence and etching time. The adjustment of the electrochemical deposition conditions of the nanowire arrays and submicrowire arrays, which are embedded in the polymer foil afterwards, leads to a high output of simultaneously steadily grown arrays. The scanning electron microscope confirms the preservation of their shape and size after an optimization of the exposure process of the arrays grown in the template. For a systematic study of the mechanical behavior and a comparison between nanowire arrays on the one hand and submicrowire arrays on the other hand a series of each arrays made of the materials platinum and nickel-iron were produced. Besides the materials, the arrays differ primarly in the number of wires, the wire diameter on a nano and submicrometer level, as well as in the wire length. With the conception, setup and start-up of a newly developed nanoforce measuring station the free-standing nanowire arrays and submicrowire arrays were successfully investigated in respect of their mechanical behavior. This happened by recording force-displacement curves which emerge by shifting the arrays laterally and measuring the resulting force. The influence of the wire diameter, the number of wires and the wire length on the spring constant of the arrays is described in an analytical model and confirmed by the measuring results. The results show that arrays can be specifically mechanically adapted by altering their shape and size: Expectedly the spring constant can be reduced by smaller wire diameters, smaller number of wires and larger wire lengths. Both nanowire arrays and submicrowire arrays are very stable and can successfully be mechanically characterized. The results lay the foundation for an application in novel accelerometers and the knowledge gained can be used to produce arrays with a specific spring constant by adjusting their shape and size. The most suitable arrays for the envisaged application as a spring-mass-element in an accelerometer have a circular footprint with a diameter of 50 µm and a wire length of 30 µm because they have remarkable flexibility with respect to lateral bending loads, pronounced stabilities over several loading cycles and reproducible spring constants which can be adapted by the wire diameter and number of wires.English
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