Emmerich, Florian (2020)
Eigenschaften und Anwendungen von Dünnschicht-Elektretmaterialien.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00012056
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Miniaturisierung ist der Motor, der die beinahe unvorstellbare Entwicklung der Elektronik seit nun mehr als 50 Jahren antreibt. Begonnen mit der Erfindung des Transistors wurde die Miniaturisierung von Bauelementen das Zugpferd für die Erfüllung des Mooreschen Gesetzes, welches bis heute Bestand hat. Dies war jedoch nur möglich, da elektrostatische Größen so skalieren, dass deren volumenbezogene Leistungsdichte mit jeder weiteren Miniaturisierung wächst. Durch diesen Skalierungsvorteil wurden neuartige Technologien wie kapazitive Mikrofone oder Flash-Speicher entwickelt, die sich elektrostatische Prinzipien zunutze machen. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Arbeit mit der Skalierung elektrostatischer Materialien, die auch unter dem Begriff „Elektrete“ bekannt sind. Schwerpunkt liegt dabei auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften, die sich bei der Miniaturisierung ergeben und dadurch Vorteile in verschiedenen Anwendungsbereichen bieten. So werden drei unterschiedliche Größenordnungsbereiche untersucht: nano-skalige Materialien, nano-strukturierte Materialien und mikro-strukturierte Materialien.

Im ersten Anwendungsfeld wurden Untersuchungen an Mehrschicht-Elektretmaterialien durchgeführt, die aufgrund ihres Aufbaus für eine besonders gute Ladungsspeicherfähigkeit bekannt sind. Jedoch ist es mit herkömmlichen Methoden zur Charakterisierung von Elektretmaterialien nicht möglich, solche Mehrschichtsysteme mit Strukturgrößen im Bereich von wenigen 100 nm zu untersuchen. Um solche Mehrschichtsysteme besser verstehen zu können, wurde deshalb eine neue Methode entwickelt, die sich die hohe Auflösungsfähigkeit eines Raster-Kraft-Mikroskops zunutze macht. Dabei findet die Kelvin-Sonden-Kraft-Mikroskopie Anwendung, um elektrostatische Potenziale mit einer Auflösung von unter 100 nm zu messen. Die Fähigkeit der Methode, Informationen über die Position der gespeicherten Ladung im Material zu erhalten, konnte durch theoretische Betrachtungen sowie Finite-Elemente-Simulationen der Feldverteilung bestätigt werden. An einem durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung hergestellten Mehrschicht-Modellsystem wurden anschließend Messungen an Corona-geladenen Proben durchgeführt. Um ein tieferes Eindringen der Ladungen in das Mehrschichtsystem zu bewirken, wurden die Proben bei unterschiedlichen Temperaturen gelagert. Anschließend wurden erneut Messungen an den temperierten Proben durchgeführt, um eine Verschiebung der Ladung zu überprüfen. Durch Analyse der Feldverteilung in den jeweiligen Schichten konnte in Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen eine Bewegung der Ladung und somit des Ladungsschwerpunktes in Richtung der ersten Grenzschicht nachgewiesen werden. Somit ermöglicht diese neue Methode erstmals eine hochauflösende Untersuchung der Ladungsverteilung in nano-skaligen Mehrschichtelektreten und bietet sich als Ergänzung zu konventionellen Methoden an, die nicht in diesen Auflösungsbereich vordringen können. Durch den Einsatz von Messspitzen mit kleinerem Durchmesser sowie höherem Aspektverhältnis und elaborierter Algorithmen zur Signalentfaltung kann die Auflösung dieser Methode sogar noch in den Bereich von unter 50 nm gebracht werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Speicherstellen in Mehrschichtelektreten räumlich aufgelöst zu untersuchen, was für eine Optimierung der Ladungsspeichereigenschaften nützlich ist.

Der zweite Teil der Arbeit nutzt die hohe Auflösungsfähigkeit des Raster-Kraft-Mikroskops zur Herstellung elektrostatischer Nanostrukturen und leitet aus den gewonnenen Erkenntnissen neuartige Rapid-Prototyping-Anwendungen ab. Mit der Spitze eines Raster-Kraft-Mikroskops konnten positive und negative Ladungen lokal in dielektrische Dünnschichtmaterialien injiziert und anschließend mit der Kelvin-Sonden-Kraft-Mikroskopie sichtbar gemacht werden. Die so entstandenen elektrostatischen Nanostrukturen besitzen Größen ab 150 nm. Im sogenannten Nanoxerografie-Prozess wurden dann durch elektrostatische Anziehung ligandenfreie, negativ geladene Gold-Nanopartikel mit einer Partikelgröße von 2-10 nm abgeschieden, sodass Linienstrukturen mit einer minimalen Strukturbreite von 200 nm sowie großflächige Strukturen hergestellt werden konnten. Diese Strukturen bilden wiederum die Basis für zwei neuartige Strukturierungs-Prozesse zur Herstellung von polymeren und metallischen Nano- und Mikrostrukturen. Das erste Verfahren nutzt das geänderte thermische Zersetzungsverhalten von PMMA sobald dieses in Kontakt mit Nanopartikeln kommt. So können PMMA-Dünnschichten mit diesem Verfahren maskenlos und ohne den Einsatz von Reinraumtechnik im Mikrometerbereich strukturiert werden. Im Laboreinsatz kann diese Methode eine Alternative zur klassischen Fotolithografie darstellen. Im zweiten Verfahren werden lokal abgeschiedene Gold-Nanopartikel aufgeschmolzen, um leitfähige Nanostrukturen herzustellen. Da der Schmelzpunkt von nano-skaligen Partikeln weit unter dem von klassischen Festkörpern liegt, kann das Gold aufschmelzen, ohne die darunterliegende polymere Dünnschicht zu beschädigen. Beide Verfahren können durch den Einsatz von elektrischem Mikro- und Nanokontaktstempeln in größerem Maßstab für Strukturen von einigen 10 cm² eingesetzt werden. Somit eignen sich die präsentierten Technologien zur schnellen Herstellung von Nano- und Mikrostrukturen, ohne dass eine aufwendige Prozessierung oder kostenintensives Equipment notwendig ist.

Im dritten Anwendungsfeld wird die Miniaturisierung von sogenannten Piezoelektreten untersucht, welche für die Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrisch nutzbare Energie verwendet werden. Mit Hilfe von Piezoelektreten ist es möglich, die positiven Eigenschaften piezoelektrischer Keramiken auf polymere Materialien zu übertragen, ohne deren negative Eigenschaften wie teure Prozessierung und Brüchigkeit zu übernehmen. Um die volumenbezogene Leistungsdichte dieser Piezoelektrete zu erhöhen wurde erstmals die Miniaturisierung der Strukturgrößen dieser Materialien in den Mikrometerbereich theoretisch und anwendungsbezogen untersucht. Eine theoretische Betrachtung der zu erwartenden Eigenschaften zeigte, dass sowohl für bipolare als auch für unipolare Modellsysteme die Leistungsfähigkeit als Sensorelement mit kleineren Strukturgrößen zunimmt. Da die etablierten Fertigungsverfahren jedoch nicht in der Lage sind, auf einfache Weise laterale Strukturgrößen unter 500 µm sowie vertikale Strukturgrößen unter 100 µm herzustellen, wurde ein Mikro-System-Technik-basierter Ansatz zur Herstellung von mikro-strukturierten Piezoelektreten entwickelt. Durch die Weiterentwicklung des etablierten Thermoforming-Verfahrens konnten alle Strukturgrößen der Piezoelektrete, sowohl vertikal als auch lateral, mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern hergestellt werden. Dafür wurden die Vorlagen für das Thermoformen, auch Master genannt, aus einem bis zu 250 µm dicken Fotolack hergestellt. Das thermische Verschweißen der Folien, welches aufgrund der hohen Temperaturen den Fotolack-Master beschädigen könnte, wurde durch alternative Prozesse wie integrierte Mikro-Heizer oder einen neuartigen Laser-Schweiß-Prozess ersetzt. Die Charakterisierung der miniaturisierten Piezoelektrete hinsichtlich ihrer d_33-Koeffizienten, ihres Frequenzverhaltens und ihrer Leistungsausbeute zeigte deutlich verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu makroskopischen Systemen. Somit stellt sich die Miniaturisierung im Hinblick auf einen industriellen Einsatz als doppelter Vorteil heraus, da sie sowohl einen geringeren Volumenverbrauch als auch eine erhöhte volumenbezogene Leistungsdichte mit sich bringt. Dies prädestiniert diese Technologie für den Einsatz in mobilen Anwendungen. Zusammengefasst wurden in dieser Arbeit mehrere Technologien auf Grundlage der Miniaturisierung von elektrostatischen Systemen entwickelt, um dadurch bestehende Verfahren bzw. Prozesse zu erweitern oder zu verbessern. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die vorgestellten Verfahren neue Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen sowie weitere Anknüpfungspunkte zur Optimierung und den zukünftigen Einsatz von Elektretmaterialien bieten.

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