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

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

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.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2010
Creators: Berghoff, Patrick
Title: Evaluierung und Herstellung hochtopographischer Substrate auf Siliziumbasis für Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien
Language: German
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.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Dünnschichtbatterie, Oberflächenmikromechanik, Oberflächenvergrößerung, Tieftrockenätzen (DRIE; Deep Reactive Ion Etching), Volumenmikromechanik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 05 Sep 2011 14:05
Additional Information:

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)

Identification Number: 17/24 EMKD 1722
Referees: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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