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INHALTE

Master and Doctoral Thesis Research Projects (Themengebiet 1)

Betreuer: Heiko O. Jacobs

Projekt 1: Untersuchung von Fluidischen Chip Montage Methoden zur Herstellung von LED Leuchtmodulen

Ziel: Entwicklung eines Kostengünstigen Herstellungsverfahrens von Neuartigen LED Leuchtmodulen

Methode: Biologisch inspirierte Selbst-Organisation.

Background (in Englisch): Solid State Lighting Modules (LED Leuchtmittel) have seen a strong growth in recent years. Continued growth is projected since policy maker’s have stipulated the replacement of current inefficient incandescent light bulbs (Glühlampen) across the globe.

A challenge today from a manufacturing point of view can be found in the high production cost. More than 50% of the production cost is associated with deterministic pick and place assembly, wirebonding, and packaging of LED chips.

A potential solution to the production cost issue is a fluidic self-assembly based manufacturing approach (Fuidische Selbst –Assemblierung1, Selbst-Montage2, Selbst-Verpackungsverfahren3) which forms the basis for the research project. FastTrack option: This projects can start as a master thesis with a reduced scope. However, excellent candidates will have the option to extend the scope within a framework of a doctoral thesis where the previous thesis is not considered “lost time” but where it can be extended “fasttrack” to graduate with a doctoral degree.

Research Aspects: This is a trans-disciplinary project. Students from Physics, EE, ME, and MWT are equally well prepared if they are not afraid to learn new aspects where solutions are not taught in class. The student should be familiar with one out of 3 aspects and open to the other two.

  1. Aspect: The student will design and test a fluidic self-assembly processes and test them inside of a rotating drum self-assembly system.
  2. Aspect: The student will test different solder and fluidic environments (black box) that support engineered self-assembly.
  3. Aspects: The student will test the electrical interconnects and the functionality of the assembled electrical system.

Additional Knowledge Students Learn:

  • The student will learn to fabricate small chips/dies (left side of the drawing) in the cleanroom using established technologies which will be used in the self-assembly experiments
  • The student will fabricate custom substrates with solder bumps that can be used in self-assembly experiments

References:

1.        JMEMS 21(1), 58-99 (2012).  pdf

2.        PNAS 101(35), 12814-12817 (2004).  pdf

3.        Science 296(5566), 323-325 (2002).  pdf

Master and Doctoral Thesis Research Projects (Themengebiet 1)

Betreuer: Heiko O. Jacobs

Projekt 2: „Aufbau eines Fluidischen Conveyer Belt System mit Mechanischer Anregung und Optischer Beobachtung von Selbstorganisationsprozessen “

Übergeordnetes Arbeitsgebiet: Fluidische Chip Montage Methoden zur Herstellung von LED Leuchtmodulen

Background: This project is in the field of solder based self-assembly. The student will work on an international collaborative project together with a researcher in the USA (former laboratory of professor Jacobs) where a first prototype conveyor belt system has been installed. The goal is to install a similar but improved system in Ilmenau. A simplified drawing of the system is shown. The specific design is confidential and will be discussed with interested candidates.

Tasks: This is a relative straightforward engineering project where electrical and mechanical components are put together to build a machine prototype.
Students from Physics, EE, and ME are equally well prepared if they have hands-on skills (practical experience). The system contains mechanical parts, stepper motors, optical parts, roller, and heaters to maintain a certain temperature and agitation inside the liquid bath. Funding to purchase the components is available. The student will work with a mechanic at the FG Nanotechnology who is specialized in rapid prototyping and machining of custom parts. Prof. Jacobs will help in the design.

What is the Broader Context of this Project?

The broader context of this project is in the field of self-assembly based manufacturing which is a biologically inspired and relatively new manufacturing concept that overcomes some of the limitations of deterministic manufacturing which use serial robotic pick and place machines. Instead of placing components one at a time at a certain location the components assemble at the location on the basis of self-assembly.

What are the Applications?

Self-Assembly can be used to assemble or package semiconducting elements on any surface with high yield and throughput. It has been applied to Solid State Lighting (LED Leuchtmodule) or in the manufacturing of solar cells, or flexible Si based electronics. Here are a few recent news articles:

·         May 25, 2011, Nature Materials, "Mosaic Masters" highlights R. Knuesel and H.O. Jacobs' Advanced Materials communication on Self-Tiling.

·         June 24, 2011, Advanced Materials Cover, Self-Tiling Monocrystalline Silicon; a Process to Produce Electrically Connected Domains of Si and Microconcentrator Solar Cell Modules on Plastic Supports.

·         January 14, 2010, Science Magazine, "Shrinkage," featuring research onFluidic Self-Assembly January science shot series.

·         January 13-31, 2010, Numerous news outlets (BBC, Ars Technica, Herald, Popular Science, DiscoverMag, TCE Today, TGdaily, Softpedia, Treeh, Golem, Newsintech, Printed Electronics World, Green Diary, Engadget, Your Renewable News, Power & Energy, The Green Optimistic, Solar, Ethiopian Review, Energetika, Newstrack India, Physorg, Elektroniktidningen, Rozhlas, Inovação Tecnológica, Telepolis and many more) report on a recent PNAS article describing a fluidic self-assembly process forming a flexible solar cells.

·         January 13, 2010, Golem, A german technology news outlet highlights UMN research in "Solarzelle aus dem Öl-Wasser-Bad" article.

·         January 13, 2010, PNAS, The Proceedings of the National Academy of Science flags and highlights R. Knuesel and H.O. Jacobs research article on self-assembling electronics and photovoltaics to be of interest to the broader community and media.

Master and Doctoral Thesis Research (Themengebiet 1)

Betreuer: Heiko O. Jacobs

Projekt 3: „Untersuchung eines noch nicht veröffentlichten zwei Stufen Lotsystem zur Selbstorganisation und Selbstmontage von Halbleiterbauelementen“

Background: The basic concept of solder directed self-assembly is based on the high surface tension of liquid solder. Like mercury liquid solder wants to ball up or fuse with other metallic surfaces to reduce the interfacial free energy. This mechanism can be used to drive engineered self-assembly processes. For example in the illustration the liquid solder is used as a receptor since it wets the metal contacts on the components. Components get captured by the solder based receptors as they tumble inside the enclosed vial inside of a heated liquid where the solder is molten. The components attach by themselves and align with high precision and yield. Here are a few references where this basic process is used in the field of self-assembly based manufacturing:

References:

1.        JMEMS 21(1), 58-99 (2012).  pdf

2.        PNAS 101(35), 12814-12817 (2004).  pdf

3.        Science 296(5566), 323-325 (2002).  pdf

Challenge: A challenge in this process deals with melting point of the solder that can be used which is limited to be blow the boiling point of the solvent/liquid that transports the components. This means that it is presently not possible to use high melting point solder unless the self-assembly is done in extremely hot environments.

Solution: We seem to know a solution to this problem which has not been published that could transform this field. The goal of this thesis project is to test the idea. Details will be discussed in person.

Tasks:  

  1. This project will begin with a brief literature study to identify a few more metal alloys to extend the library beyond what we have established so far. 
  2. The student will test the alloys and report the result. A positive outcome could lead to a major publication.

    Additional Knowledge Students Learn:
  • The student will learn to fabricate small chips/dies (left side of the drawing) in the cleanroom using established technologies which will be used in the self-assembly experiments.
  • The student will fabricate custom substrates with a new kind of a two phase receptor material that can be used to drive the self-assembly of high performance chips into stable self-aligned position whereby the interconnects are of high quality.
  • The student will carry out self-assembly experiments, microscopy, and electrical test.

Master and Doctoral Thesis Research (Themengebiet 1)

Betreuer: Heiko O. Jacobs

Projekt 4:  Fluidic self-assembly with applications in concentrator based photovoltaic cells

Fabrication strategies that rely on mechanisms of self-assembly are widely recognized as inevitable tools in nanotechnology. Self-assembly, however, is not limited to the nanometer length scale. Strategies that are based on self-assembly are projected to have a major impact in the manufacturing of systems on both the micrometer and nanometer length scale. Several directed self-assembly methods have been demonstrated to generate functional electrical microsystems. For example, Smith et al. reported shape-directed fluidic methods to position light-emitting diodes (LEDs) onto silicon substrates.

Within this bachelor/master thesis a prototype of a setup for fluidic self-assembly of micrometer scale objects onto flexible polymer substrates is to be constructed, assemble, and test.


JMEMS 15(3), 457-464 (2006).  pdf

www.golem.de/1001/72387.html

Master and Doctoral Thesis Research (Themengebiet 2)

„Arbeiten auf dem Gebiet der Nanoxerographischen Druckprozesse“

Betreuer: Heiko O. Jacobs

Kurzübersicht des Themengebiets

3D Nano-Xerographic Printers

Background: Nanoscience has discovered a “world of functions. The standard approach began with the synthesis of nanoparticles, nanowires and other higher order structures which were collected on a carrier. The next step (Find and Probe) was to find species of interests and to subsequently probe/test a size dependent physical property using specialized analytical tools. This approach has led to numerous publications in Science and Nature reporting devices (physical sensors, bio sensors, transistors, switches, photovoltaic cells, light emitting structures) with record performance. However, the method it is not a nanomanufacturing approach that will support the mass production of functional devices over large areas. 

This requires the development of a directed depo­sition process including

  • nanomaterial generation,
  • transport, and
  • programmable selected area multimaterial deposition

enabling the production of nanostructured materials and devices beyond current levels. Specifically, the project targets selected area growth/deposition of objects:

·                     out of different materials,

·                     different diameters,

·                     different length,

·                     different material sequences, and

·                     3D shapes

all controlled according to a desired topology on one substrate within one single deposition process.

The approach that forms the basis for the different BA/MA thesis projects is a tool that we termed “Nanoxerography.” Nanoxerographic printers enable the printing of known devices (Physical Sensor Arrays, Solar Cells, Electronics, etc.) at low cost. Nanoxerographic printers are modular systems and contain several different zones as illustrated.

 

Projects in the Field of Nanoxerography

Betreuer: Heiko O. Jacobs

Thesis Topic:  Installation and test of an improved Nanoxerographic printer based on a new design (Zone 1 and Zone 2, in illustration)                                        

·         This is a relative straightforward engineering project. Students from Physics, EE, and ME are equally well prepared if they have hands-on skills (practical experience). The student will work on an international collaborative project together with a researcher in the USA (Former Laboratory of Professor Jacobs) where several systems have been installed. The goal is to install a similar but improved system in Ilmenau. The specific design is confidential and will be discussed with interested candidates. The system contains a high temperature region that produces nanoparticles, and a deposition zone where programmable electric force fields are used to deposit particles at precise locations on custom made substrates. The student will work with a mechanic at the FG Nanotechnology who is specialized in rapid prototyping and machining of custom parts.  Prof. Jacobs will help in the design. The student learns all the aspects in the first phase before he/she takes over tests and design changes with the goal to produce well defined nanostructures and specifically 3D nanostructured electrodes for photovoltaic applications. The fabrication of the substrates will be done in close collaboration with Dr. Stauden.

Thesis Topic: Nanomaterial Generation and Characterization for Nanoxerography and Printable Photonics Applications (Zone 1)                                   

·         This project will involve a brief literature search to compare a new approach of nanoparticle generation that we established with the state of the art and to extend this method to produce and print optically active quantum dots over increasingly large areas for solid state lighting applications.

Thesis Topic: Optically Programmable Nanoxerographic Deposition (Zone 2)          

·         This project will test a concept to optically program the deposition of nanomaterials in 3D. The details are confidential and have not been published. This project is of particular interest to MS level students that want to publish for various reasons and career plans where a strong publication record is important (PHD candidates)

Thesis Topic: 3D Nanostructure Deposition – Explore unknown operating regimes altering carrier gas, pressure, and substrate temperature and study the effect (Zone 2).       

·         This project will use and existing printer design and test unknown operating regimes. Everything is allowed. This is a discovery driven project for someone who wants to discover something new.

Thesis Topic: Molecular Programmable Selected Area Deposition and Growth  (Zone 1 & 2). 

·         This project extend nanoxerographic printers to print Molecules of various types. The details are confidential and have not been published. This project is of particular interest to MS level students that want to publish for various reasons and career plans where a strong publication record is important (PHD candidates) or for someone who just wants to say I was the first and made a real discovery.

Doctoral Thesis - Fasttrack option: The projects start as a master thesis with a reduced scope. However, excellent candidates will have the option to extend the scope within a framework of a doctoral thesis and in collaboration with an industry partner where the previous thesis is not considered “lost time” but where it can be extended “fasttrack” to graduate with a doctoral degree. 
Contact:
heiko.jacobs (at)
tu-ilmenau.de

Augerelektronenspektroskopie an Gruppe III-Nitrid Schichten

Das Thema beinhaltet die Einarbeitung in die Grundlagen der Augerelektronenspektroskopie sowie die Messung und Auswertung von technologisch relevanten Gruppe III-Nitrid-Schichten und Schichtfolgen. Es setzt die Verzahnung mit der Schichtherstellung durch MBE und MOCVD voraus und bezieht sich vorrangig auf die Analyse und Auswertung der im eigenen Haus hergestellten Schichten.Die interessierenden Halbleiterschichten bestehen aus GaN, AlN, InN und deren ternären und quaternären Verbindungen. Ein wichtiger Teil der Arbeit ist eine Literaturrecherche zu aktuellen Messergebnissen mit AES an diesen Halbleitermaterialien. Die Messungen beinhalten örtlich hochaufgelöste Auger-Messungen mit dem neuen Augerelektronenspektrometer Microlab 350, Auger-Tiefenprofile zur Messung der Elemente-Tiefenverteilung und Peakform-Analysen zur elektrischen Charakterisierung der Schichten. Ergänzende Messverfahren (XPS, AFM und elektrische Verfahren wie Hall- und CV-Messungen) sollten verstanden und teilweise selbst durchgeführt werden.

Betreuer: Gernot Ecke 

Technologieentwicklung und Charakterisierung von 3C-AlGaN HEMT-Transistoren

Die Gruppe III-Nitride gehören zu den Halbleitermaterialien des 21. Jahrhunderts und haben ihren Platz in der Optoelektronik und Hochfrequenztechnik gefunden. Diese Entwicklungsarbeit soll einen Beitrag auf dem Gebiet der Entwicklung neuartiger Hochfrequenzbauelemente leisten. Im Zentrum der Untersuchung steht dabei die Erarbeitung von Prozesstechnologien für die Herstellung von Transistoren auf der Basis von kubischen Gruppe III-Nitriden. Der Schwerpunkt der durchzuführenden Arbeiten liegt auf der Elektronenstrahllithografie und den mit ihr verbundenen Metallisierungs- und Ätzprozessen. Neben den Arbeiten auf dem Gebiet der Technologieentwicklung ist die elektrische Charakterisierung des Bauelements und die damit verbundene Extraktion von Materialeigenschaften ein Schwerpunkt der Forschungsarbeit. Die Arbeit erfolgt in Kooperation mit dem Fachgebiet Festkörperelektronik der TU Ilmenau und dem Department Physik der Universität Paderborn. 

Betreuer: Jörg Pezoldt

Technologieentwicklung und Charakterisierung von Graphen-Transistoren

Graphen besteht aus einer Monolage Graphit und verfügen über außergewöhnliche elektronische Eigenschaften, wie zum Beispiel extrem hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten. Es kann durch Exfoliation und durch Waferbonden auf Trägermaterialien aufgebracht werden. Alternativ besteht die Möglichkeit dieses Material auf SiC zu erzeugen. Im Rahmen dieses Themas sollen Prozesstechnologien für die Herstellung von Transistoren auf der Basis von Graphen erarbeitet werden. Die Arbeit beinhaltet die Herstellung von Graphen auf Si und SiC basierten Substraten. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Elektronenstrahllithografie und den mit ihr verbundenen Metallisierungs- und Ätzprozessen, sowie der Implementierung von Gatematerialien. Neben der Technologieentwicklung ist die elektrische Charakterisierung des Bauelements und die damit verbundene Prozesskontrolle, sowie die damit verbundene Extraktion von Materialeigenschaften ein wesentlicher Bestandteil der Forschungsarbeit. 
Die Arbeit erfolgt in Kooperation mit dem Fachgebiet Festkörperelektronik und dem Fachgebiet Technische Physik I der TU Ilmenau. 

Betreuer: Jörg Pezoldt

Strukturelle Untersuchungen von Heterostrukturen und ionenimplantierten Schichten und mit hochaufgelöster Röntgenbeugung

Heterostrukturen und deren Modifikation durch Ionenimplantation und thermische Behandlung bilden die Grundlage für viele moderne Bauelemente. Eigenschaftsbestimmende Parameter für ihre elektronischen und optischen Eigenschaf¬ten sind der Verspannungszustand, die chemische Zusammensetzung und die Defektdichte, die Oberflächen- und Grenzflächenschärfe sowie die Schichtdicken der einzelnen Schichten. Diese Parameter lassen sich durch die Technik der hochaufgelösten Röntgenbeugung zerstörungsfrei erfassen. Die Aufgabe dieser Arbeit besteht in der Erarbeitung von Standardanalysemethoden für die Untersuchung von Heterostrukturen im Materialsystem AlGaN-SiC, AlGaN-SiC-Si und SiC-Si sowie durch Ionenimplantation modifizierte Substrate und Epitaxieschichten. Ergänzende Untersuchungen beinhalten die UVVis- und Infrarotellipsometrie sowie die Transmissionselektronenmikroskopie. Die letztere Methode wird in Kooperation mit dem Fachgebiet Werkstoffe der Elektrotechnik durchgeführt.

Betreuer: Jörg Pezoldt

Infrarotellipsometrie von Heterostrukturen aus Halbleitern mit großer Bandlücke

Heterostrukturen bilden die Grundlage für viele moderne Bauelemente. Diese werden durch das Verfahren der Heteroepitaxie erzeugt. Wichtige Parameter in ihnen sind die Oberflächen- und Grenzflächenschärfe, die Schichtdicken der einzelnen Schichten, der Verspannungszustand, die chemische Zusammensetzung sowie ihre elektronische und optischen Eigenschaften. Diese Parameter lassen sich durch die Technik der Infrarotellipsometrie zerstörungsfrei erfassen. Die Aufgabe dieser Arbeit besteht in der Erarbeitung von Analy¬se- und Auswertemethoden für die Untersuchung der Eigenschaftsanisotropie sowie von Zusammensetzungs- und Spannungsgradienten in Heterostrukturen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen Heterostrukturen der Gruppe III-Nitride, SiC auf Saphir-, SiC-, GaAs und Si-Substraten. Als Kooperationspartner steht das Fachgebiet Experimentalphysik I zur Verfügung.

Betreuer: Jörg Pezoldt

Simulation von Nanostrukturen auf der Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke

Halbleiter mit großer Bandlücke wie Gruppe III-Nitride und SiC eröffnen neue Anwendungsfelder für elektronische und sensorische Bauelemente. Sie ergänzen die Möglichkeiten der Siliziumelektronik und Sensorik sinnvoll und erweitern die Anwendungsgebiete der Halbleiterbauelemente. Desweiteren verfügen diese Materialien über eine strukturelle Vielfalt, die ein Entwurf neuartiger Bauelementeprinzipien ermöglicht. Die Forschungsarbeit hat das Ziel auf der Grundlage freiverfügbarer Simulationsprogramme neuartige Typen von Heterostrukturen zu entwerfen und deren Eigenschaften abzuschätzen sowie erste experimentelle Arbeiten für deren Verifikation durchzuführen. Dafür müssen Modelle erarbeitet werden, die eine prädiktive Vorhersage der zu erwartenden Eigenschaften, sowie Hinweise auf die Realisierungswege der zu erzeugenden Strukturen und ihren Entwurf erlauben. Betreuer: Jörg Pezoldt 7. Mikro- und Nanodrähte aus Siliziumkarbid für elektronische und sensorische AnwendungenDas immer weitere Voranschreiten der Entwicklung der Halbleitertechnologie und ihrer Bauelemente erlaubt das Erschließen immer neuer Anwendungsgebiete. Gleichzeitig erfordert dies jedoch die Entwicklung neuer Bauelementstrukturen und die Implementierung neuer Materialien, um dem Innovationsdruck auf diesem Gebiet Rechnung zu tragen. Dieser Herausforderung stellt sich das Forschungsvorhaben, in dem der Versuch unternommen wird die klassischen Techniken der Siliziumtechnologie mit einem Halbleitermaterial der dritten Generation zu kombinieren, um die Grundlage für Sensoren mit einer besseren Empfindlichkeit herzustellen. In einem späteren Stadium, bei einer Herabskalierung der Dimensionen des Bauelementes sollen Quantisierungseffekte genutzt werden. Als Basismaterial soll Siliziumkarbid angewendet werden, welches den Weg zu chemisch aggressiveren Medien eröffnet, wie sie in der Biomedizintechnik anzufinden sind.Die Bauelementegrundlage bilden freitragende oder freistehende Strukturen, die sich auf isolierendem Material befinden. Das Siliziumkarbid wird mit einem neu entwickelten Prozeß für die Niedrigtemperaturabscheidung hergestellt. Die mechanische Verspannung im Heteroepitaxiesystem, welche für die Lebensdauer und die Funktionsfähigkeit wichtig ist, wird durch eine Interfacemodifikation im Submonolagenbereich oder durch speziell hergestellte Substrate eingestellt. Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Wachstumsbedingungen auf die elektronischen und mechanischen Eigenschaften der hergestellten Nanostrukturen, sowie ihre Eignung für Sensoren sein. 

Betreuer: Jörg Pezoldt