Hottes, Martin (2020)
Synthese und Charakterisierung von Submikro- und Nanodrahtarrays aus Platin und Nickel-Eisen zur Anwendung in mikroelektromechanischen Systemen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011557
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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