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Evaluierung und Herstellung hochtopographischer Substrate auf Siliziumbasis für Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien

Berghoff, Patrick :
Evaluierung und Herstellung hochtopographischer Substrate auf Siliziumbasis für Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2010)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

In dieser Diplomarbeit werden Möglichkeiten zur Substratstrukturierung aus der Oberflächen- und Volumenmikromechanik untersucht. Ziel ist es dabei, die verfügbare Oberfläche für auf dem Substrat abgeschiedene Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien zu vergrößern. Bisher werden die einzelnen Schichten einer solchen Batterie – Kathode, Elektrolyt, Anode – auf einem planaren Substrat (bspw. durch Sputtern) abgeschieden. Die speicherbare Ladungsmenge kann durch dickere Schichten oder eine größere Oberfläche gesteigert werden. Ersteres führt aber gleichzeitig zu Leistungsverlusten, weshalb die Schichten möglichst dünn bleiben müssen. Deshalb ist die speicherbare Ladungsmenge maßgeblich von der verfügbaren Oberfläche abhängig.

Es wird zunächst ein Grundverständnis für den Aufbau und die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien erarbeitet, daraus werden dann die Randbedingungen für das strukturgebende Substrat bestimmt. Anschließend werden mögliche Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche mit hohen Aspektverhältnissen recherchiert und auf ihre Eignung hin untersucht. Dabei werden verfahrensbedingte Besonderheiten identifiziert und es wird geprüft, ob diese sich nachteilig auf die Abscheidung der Batterieschichten auswirken.

Neben dem verfahrensspezifischen Aspektverhältnis wird die Formgebung der 3D-Struktur als einflussreicher Faktor für den Oberflächengewinn identifiziert. Mögliche Strukturformen werden verfahrensunabhängig erarbeitet und auf diese Eigenschaften hin analysiert. Dabei wird zwischen dem Muster aus der Draufsicht und der Übertragung dieses Musters ins Volumen unterschieden. Die einzelnen Formen werden auf ihren Oberflächengewinn hin verglichen und anschließend eine geeignete Form-Verfahrens-Kombination ausgewählt.

Ist das strukturierte Substrat selbst zusätzlich als Anode einsetzbar, kann die Abscheidung einer Batterieschicht eingespart werden. Deshalb werden weiterhin Möglichkeiten für die Nutzung des Substrats als Anode ermittelt. In eigenen Versuchen werden diese auf ihre Eignung als Anode untersucht, eine geeignete Variante ausgewählt und diese charaktierisiert.

Die Abscheidung der Batterieschichten auf den hochtopographischen Substraten soll zukünftig mittels CVD-Verfahren erfolgen, diese stehen allerdings noch nicht zur Verfügung. Für die Auslegung der Abmessungen des Substrats wird deshalb ein Oxid abgeschieden, um einen Richtwert für geeignete Grabenbreiten zu bestimmen. Im Anschluss wird ein erstes Muster eines hochtopographischen Substrats hergestellt und charakterisiert.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2010
Autor(en): Berghoff, Patrick
Titel: Evaluierung und Herstellung hochtopographischer Substrate auf Siliziumbasis für Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

In dieser Diplomarbeit werden Möglichkeiten zur Substratstrukturierung aus der Oberflächen- und Volumenmikromechanik untersucht. Ziel ist es dabei, die verfügbare Oberfläche für auf dem Substrat abgeschiedene Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien zu vergrößern. Bisher werden die einzelnen Schichten einer solchen Batterie – Kathode, Elektrolyt, Anode – auf einem planaren Substrat (bspw. durch Sputtern) abgeschieden. Die speicherbare Ladungsmenge kann durch dickere Schichten oder eine größere Oberfläche gesteigert werden. Ersteres führt aber gleichzeitig zu Leistungsverlusten, weshalb die Schichten möglichst dünn bleiben müssen. Deshalb ist die speicherbare Ladungsmenge maßgeblich von der verfügbaren Oberfläche abhängig.

Es wird zunächst ein Grundverständnis für den Aufbau und die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien erarbeitet, daraus werden dann die Randbedingungen für das strukturgebende Substrat bestimmt. Anschließend werden mögliche Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche mit hohen Aspektverhältnissen recherchiert und auf ihre Eignung hin untersucht. Dabei werden verfahrensbedingte Besonderheiten identifiziert und es wird geprüft, ob diese sich nachteilig auf die Abscheidung der Batterieschichten auswirken.

Neben dem verfahrensspezifischen Aspektverhältnis wird die Formgebung der 3D-Struktur als einflussreicher Faktor für den Oberflächengewinn identifiziert. Mögliche Strukturformen werden verfahrensunabhängig erarbeitet und auf diese Eigenschaften hin analysiert. Dabei wird zwischen dem Muster aus der Draufsicht und der Übertragung dieses Musters ins Volumen unterschieden. Die einzelnen Formen werden auf ihren Oberflächengewinn hin verglichen und anschließend eine geeignete Form-Verfahrens-Kombination ausgewählt.

Ist das strukturierte Substrat selbst zusätzlich als Anode einsetzbar, kann die Abscheidung einer Batterieschicht eingespart werden. Deshalb werden weiterhin Möglichkeiten für die Nutzung des Substrats als Anode ermittelt. In eigenen Versuchen werden diese auf ihre Eignung als Anode untersucht, eine geeignete Variante ausgewählt und diese charaktierisiert.

Die Abscheidung der Batterieschichten auf den hochtopographischen Substraten soll zukünftig mittels CVD-Verfahren erfolgen, diese stehen allerdings noch nicht zur Verfügung. Für die Auslegung der Abmessungen des Substrats wird deshalb ein Oxid abgeschieden, um einen Richtwert für geeignete Grabenbreiten zu bestimmen. Im Anschluss wird ein erstes Muster eines hochtopographischen Substrats hergestellt und charakterisiert.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Dünnschichtbatterie, Oberflächenmikromechanik, Oberflächenvergrößerung, Tieftrockenätzen (DRIE; Deep Reactive Ion Etching), Volumenmikromechanik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 05 Sep 2011 14:05
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1722

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 01-09-2009

Ende Datum: 16-03-2010

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1722
Gutachter / Prüfer: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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