Hochempfindliche Bewegungsdetektion auf Basis feldemittierender Kohlenstoffnanoröhren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Projektes war die Entwicklung von Methoden und Prozessen, um Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) zu durchtrennen. Das Ziel bestand darin, die Möglichkeit eines auf der Feldemission beruhenden Wandlerprinzips für die Bewegungsdetektion abzuschätzen. Bisherige Ansätze zur Bewegungsdetektion verwenden kapazitive, piezoresistive oder piezoelektrische Mess- bzw. Wandlerprinzipien. Sowohl diese Prinzipien als auch die dazugehörigen Technologien und Prozesse sind jedoch größtenteils ausgereift, so dass eine deutliche Sensitivitätserhöhung nur mit großem technologischem Aufwand realisiert werden kann. Alternativ kann eine Sensitivitätserhöhung über die Integration von Nanostrukturen bzw. Nanomaterialien in mikromechanische Systeme unter Ausnutzung anderer physikalischer Effekte erreicht werden. Im Rahmen des Projekts wurde ein alternativer Ansatz zur Bewegungsdetektion verfolgt, bei dem Kohlenstoffnanoröhren Verwendung finden. Hierzu wurden die CNTs mit Hilfe der Dielektrophorese in spezielle Teststrukturen eingebracht. Um die Feldemission an den Kohlenstoffnanoröhren zu ermöglichen, müssen diese gezielt durchtrennt bzw. ein Spalt erzeugt werden. Hierzu wurden grundsätzlich zwei verschiedene Methoden untersucht. Zum einen konnte die Trennung der CNTs erreicht werden, indem diese mit einem elektrischen Strom beaufschlagt und thermisch überlastet wurden, sodass die Nanoröhren durchbrannten. Zum anderen fanden lithographische Methoden Anwendung, bei denen die CNTs mit Waferlevel-Prozessen der Back-end-of-Line-Technologien durchtrennt wurden. Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts lag auf der Finiten Elemente Simulation elektrischer Felder. Bisherige Veröffentlichungen zur simulatorischen und analytischen Berechnung elektrostatischer Felder konzentrieren sich auf Modelle mit vereinfachten Elektrodengeometrien, wie z.B. Kugeln, Halbkugeln, Zylinder, Hyperboloiden, usw. Zur Berechnung elektrostatischer Felder im Mikro- und Nanomaßstab in nichtidealen Strukturen wurde im Rahmen dieses Projekts ein neues Verfahren entwickelt und getestet. Der Grundgedanken dieser Methode ist die Transferierung realer Elektrodengeometrien inklusive der abgeschiedenen CNTs in ein akkurates Simulationsmodell. Die Überführung der realen Struktur in das Simulationsmodell erfolgt dabei aus Aufnahmen von sowohl Rasterkraft- als auch Rasterelektronenmikroskopen. Als Simulationswerkzeug kam hierbei ANSYS zum Einsatz. Im Verlauf der Entwurfsarbeiten konnten darüber hinaus Erfahrungen im Design mikround nanoelektromechanischer Systeme (NEMS/MEMS) für CNT-basierte Feldemissionsanwendungen gesammelt werden. Die Feldemission an verschiedenartig durchtrennten CNTs konnte in diesem Projekt nachgewiesen werden. Abgeschieden wurden die CNTs dabei auf feststehenden Strukturen. Die Variation der elektrischen Feldstärke an der CNT-Spitze erfolgte über die Variation der angelegten Spannung. In künftigen Arbelten soll der Fokus auf der Integration der CNTs in bewegliche Strukturen liegen. Beim Entwurf dieser neuen Strukturen, die eine abstandsabhängige Feldemission der erlauben, kann auf Erfahrungen sowohl aus Teilprojekt 5 der DFG-geförderten Forschergruppe FORI 713, als auch auf dem von der Volkswagenstiftung geförderten Projekt „Integration of dielectrophoretic deposited Carbon Nanotubes and their reliability in mechanical sensor systems" zurückgegriffen werden. Mit Blick auf die Verkapselung sind weitere Technologieentwicklungen notwendig. Zur zuverlässigen Bereitstellung der benötigten atmosphärischen Bedingungen des Sensorprinzips, sind Verfahren nötig, die einen konstanten Absolutdruck im Bereich von 10^-3 mbar bei vorgegebener Gaszusammensetzung ermöglichen. Auf Seiten der Simulation ist die Implementierung realer Elektroden- und Feldemittergeometrien von grundsätzlicher Bedeutung. Künftige theoretische und experimentelle Arbelten an diesem Thema werden auf der noch weiter zu entwickelnden Transferierung realer Strukturen in die entsprechenden Simulationsmodelle beruhen. Die gesammelten Erfahrungen im Entwurf der Elektroden und der beweglichen Strukturen erlauben es, künftig verbesserte Ansätze für Demonstratoren der feldemissionsbasierten Bewegungsdetektion auszutesten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Carbon Nanotubes for field emission based movement detection, 14th International Conference on the Science and Application of Nanotubes, Espoo Finnland, 2013 June 24-28
S. Loschek, S. Hermann, S. Voigt, A. Shaporin, S.E. Schulz
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Field emitting carbon nanotubes in MEI\/1S-structures for movement sensors, 11. Chemnitzer Fachtagung Mikrosystemtechnik, Chemnitz, 2012 Oct 23-24; Proceedings (ISBN 9783000391620)
S. Loschek, S. Hermann, A. Shaporin, S. Voigt, S.E. Schulz, J. Mehner
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Structuring of carbon nanotubes for field emission based movement sensors. Systems, Signals and Devices (SSD), Chemnitz, 2012 Mar 20-23; Systems, Signals and Devices (SSD), 2012 9th International Multi-Conference on (ISBN 978-1- 4673-1589-0)
S. Loschek, S. Hermann, H. Yu, S.E. Schulz
