Publikationen

Molybdenum disulfide, a two-dimensional material extensively explored for potential applications in non-von Neumann computing technologies, has garnered significant attention owing to the observed hysteresis phenomena in MoS2 FETs. The dominant sources of hysteresis reported include charge trapping at the channel-dielectric interface and the adsorption/desorption of molecules. However, in MoS2 FETs with different channel thicknesses, the specific nature and density of defects contributing to hysteresis remain an intriguing aspect requiring further investigation. This study delves into memristive devices with back-gate modulated channel layers based on CVD-deposited flake-based and thin-film-based MoS2 FETs, with a few-layer (FL) and thin-film (TF) channel thickness. Analysis of current-voltage (I−V) and conductance-frequency (Gp/ω−f) measurements led to the conclusion that the elevated hysteresis observed in TF MoS2 devices, as opposed to FL devices, stems from a substantial contribution from intrinsic defects within the channel volume, surpassing that of interface defects. This study underscores the significance of considering both intrinsic defects within the bulk and the interface defects of the channel when analyzing hysteresis in MoS2 FETs, particularly in TF FETs. The selection between FL and TF MoS2 devices depends on the requirements for memristive applications, considering factors such as hysteresis tolerance and scaling capabilities.

Elastic, bendable and stretchable electronics establish a new and promising area of multi-physics engineering for a variety of applications, e.g. on wearables or in complex-shaped machine parts. While the area of metamorphic electronics has been investigated comprehensively, the behavior at radio frequencies (RFs), especially in the GHz range, is much less well studied. The mechanical deformation of the soft substrates, for instance, due to stretching, changes the geometrical dimensions and the electrical properties of RF transmission lines. This effect could be desirable in some cases, e.g. for smart devices with shape-dependent transmission or radiation characteristics, or undesirable in other cases, e.g. in feed and distribution networks due to the variable electrical lengths and thus phase variations. This contribution describes the results of a systematic study of the broadband RF properties of coplanar transmission lines on Ecoflex® substrates, based on numerical simulations and experimental data. Two types of stretchable transmission line structures were studied: Meander- and circular ring-segmented lines. Modeling and simulation were performed combining a 2D circuit simulation software with electromagnetic full-wave simulations. The experimental part of the work included the fabrication of metamorphic substrates metallized with thin copper layers and systematic measurements of the electrical lengths and phase constants of coplanar waveguides in the frequency range from 1 to 5 GHz based on vector network analysis for different stretching levels. With the given substrate technology, we succeeded in demonstrating stretchability up to a level of 21%, while the theoretical limit is expected at 57%. The meander- and circular-shaped line structures revealed markedly different sensitivities to the stretching level, which was lower for circular structures compared to the meander structures by approximately a factor of three.

Reactive multilayers produce exothermic reaction with definite velocity and maximum temperature after ignition, which are the fundamental properties of the reactive multilayer systems. The generated heat with certain velocity makes it widely used in joining, bonding in the packaging, thermal batteries and many more applications. In this work, a distinct approach for achieving a reaction transfer between the reactive multilayers and different materials is demonstrated which can affect the generated temperature and velocity from the self-propagating properties of the reaction. For these intensions, we fabricated the Al/Ni reactive elements with certain separations between elements which allow to observe the reaction front transfer and emitted temperature in the reaction chain. The created separation between reactive elements are periodical and ordered systems with different thermal conductive properties. The temperature and definite velocity were measured by time-resolved pyrometer and high-speed camera measurements. SEM analysis showed the characteristics of the reaction transfer between reactive multilayer elements. It is predicted that: (I) The reaction front stops at a space with critical length; (II) Reducing heat loss through the substrate supports reaction front propagation through spaces; (III) Thermal property design of the spaces between the reactive elements enables property modification of the self-propagating reaction.

An unconventional approach for the resistless nanopatterning 2H- and 1T’-MoTe2 by means of scanning probe lithography is presented. A Fowler-Nordheim tunneling current of low energetic electrons (E = 30-60 eV) emitted from the tip of an atomic force microscopy (AFM) cantilever is utilized to induce a nanoscale oxidation on a MoTe2 nanosheet surface under ambient conditions. Due to the water solubility of the generated oxide, a direct pattern transfer into the MoTe2 surface can be achieved by a simple immersion of the sample in deionized water. The tip-grown oxide was characterized using Auger electron and Raman spectroscopy, revealing it consists of amorphous MoO3/MoOx as well as TeO2/TeOx. With the presented technology in combination with subsequent AFM imaging it was possible to demonstrate a strong anisotropic sensitivity of 1T’-/(Td)-MoTe2 to aqueous environments. We finally used the discussed approach to structure a nanoribbon field effect transistor out of a few-layer 2H-MoTe2 nanosheet. This article is protected by copyright. All rights reserved

The electrodeposition of aluminum-nickel coatings was performed by pulsed direct current in the ionic liquid (IL) 1.5:1 AlCl3:EMIm]Cl containing nickel nanoparticles (Ni NPs), for reactive dispersion coating application. Several electrochemical and characterization techniques were used to shed more light on the mechanism of Ni particle incorporation into the Al matrix. Thus, particle incorporation at the early stage of the deposition would mainly take place via particle adsorption at the substrate. However, as the thickness of the coating increases, it seems that the main mechanism for particle incorporation is via the reduction of ions adsorbed at the particles surface. Although a considerable high incorporation of Ni NPs has been achieved from the IL containing the highest concentration of Ni NPs (i.e. ∼33 wt% from a 20 g/L of Ni NPs bath), a high concentration of NPs in the IL resulted having a negative effect in terms of quality of the coatings, due to solidification of the electrolyte in a poorly conductive compound. Moreover, almost equivalent amounts of Ni and Al (Ni ∼45 wt.%and Al ∼44 wt.%) have been detected in some areas of the coatings. Such a layer composition would be desired for the targeted application.

This article reports a new approach toward fabrication and directed assembly of nanoparticulate reactive system (Nanofoils) on patterned substrates. Different from current state-of-the-art, gas phase electrodeposition uses nanoparticles instead of atoms to form densely packed multilayered thin films at room temperature-pressure. On ignition, the multilayer system undergoes an exothermic self-propagating reaction. The numerous contact points between two metallic nanoparticulate layers aid in high heat release. Sub-10-nm Platinum (Pt) and Aluminum (Al) particles are synthesized through cathode erosion of metal electrodes in a flow of pure nitrogen gas (spark ablation). Pt/Al bilayer stacks with total thickness of 3–8 µm undergo self-propagating reaction with a 10.3 mm s−1 wavefront velocity on local ignition. The reaction wavefront is captured using high speed videography. Calorimetry studies reveal two exothermic peaks suggesting Pt/Al alloy formation. The peak at 135 ˚C has a higher calorific value of 150 mW g−1 while the peak at 400 ˚C has a 12 mW g−1 exothermic peak. X-ray diffraction study shows reaction-products are cubic Al2Pt with small quantities of orthorhombic Al6Pt and orthorhombic AlPt2. Electron microscopy studies help draw a correlation between film morphology, bimetallic interface, nanoparticle oxidation, and self-propagating reaction kinetics that is significant in broadening our understanding towards nanoparticulate reactive systems.

The proposed study demonstrates a single-step CVD method for synthesizing three-dimensional vertical MoS2 nanosheets. The postulated synthesizing approach employs a temperature ramp with a continuous N2 gas flow during the deposition process. The distinctive signals of MoS2 were revealed via Raman spectroscopy study, and the substantial frequency difference in the characteristic signals supported the bulk nature of the synthesized material. Additionally, XRD measurements sustained the material’s crystallinity and its 2H-MoS2 nature. The FIB cross-sectional analysis provided information on the origin and evolution of the vertical MoS2 structures and their growth mechanisms. The strain energy produced by the compression between MoS2 islands is assumed to primarily drive the formation of vertical MoS2 nanosheets. In addition, vertical MoS2 structures that emerge from micro fissures (cracks) on individual MoS2 islands were observed and examined. For the evaluation of electrical properties, field-effect transistor structures were fabricated on the synthesized material employing standard semiconductor technology. The lateral back-gated field-effect transistors fabricated on the synthesized material showed an n-type behavior with field-effect mobility of 1.46 cm2 V^-1 s^-1 and an estimated carrier concentration of 4.5 × 10^12 cm^-2. Furthermore, the effects of a back-gate voltage bias and channel dimensions on the hysteresis effect of FET devices were investigated and quantified.

Sufficient energy consumption for conventional information processing makes it necessary to look for new computational methods. One of the possible solutions to this problem is neuromorphic computations using memristive devices. Memristors based on molybdenum disulfide (MoS2) are a promising way to provide a sizeable amount of hysteresis at low energy costs. Herein, different configurations of MoS2 memristors as well as the mechanisms involved in hysteresis formation are shown. Bottom gated configuration is beneficial in terms of hysteresis area and energy efficiency. The impact of device channel dimensions on the hysteresis area and energy consumption is discussed. Different operation conditions with triangular, rectangular, sinusoidal, and sawtooth drain-to-source pulses are simulated, and rectangular pulses demonstrate the highest energy efficiency. The study shows the potential to realize low-power neuromorphic systems using MoS2 memristive devices.

This publication reports self-aligning metallic via microlensing gas phase electrodeposition formation. Key operational parameters to fabricate vertical ruthenium and rhodium interconnects (via) with a diameter of 100 nm are discussed. Moreover, airgaps are implemented during the deposition process, which utilizes spark discharge to generate a flux of charged nanoparticles. An inert gas flow transports the nanoparticles through a reactor chamber close to the target substrate. The substrate uses a pre-patterned resist with openings to a silicon/silicon dioxide/metal stack to direct the deposition of the nanoparticles to form localized self-aligning vertical interconnects. Five process parameters were identified, which impact the morphology and conductance of the resulting interconnects: spark discharge power, gas flow rate, microlens via dimensions, substrate surface potential, and in situ flash lamp power. This parameter set enables a controlled adjustment of the via interconnect morphology and its minimum feature size. Gas flow rate in combination with spark discharge power contribute significantly to the morphology of the interconnect. Spark power and microlens via dimensions have the largest influence on the surface potential of the insulating resist cover, which enables a localized microlensing gas phase electrodeposition of a via with a controlled ratio between conducting diameter and airgap.

We introduce back gated memristor based on CVD-grown 30-40 nm thick MoS2 channel. The device demonstrates bipolar behaviour and the measurements are consistent with the simulations performed within the intrinsic-oxide traps model. This confirms the theory that the source of hysteresis in thin-film MoS2 memristors is charge trapping on MoS2/SiO2 interface and the grain boundaries. The impact of back gate voltage bias, voltage sweep range and channel area on memristive effect was studied and quantified using hysteresis area. Hysteresis in bipolar memristors can be tuned by back gate voltage, which makes these devices promising for neuromorphic computing.

In this work, magnetoelectric MEMS sensors based on a TiN/AlN/Ni laminate are investigated for the first time in regards of the anisotropic elastic properties when using hard magnetic Nickel as magnetostrictive layer. The implications of crystalline, uniaxial and shape anisotropy are analysed arising from the anisotropic ΔE effect in differently oriented cantilevers with 25 µm length and 15˚ spacing. The ΔE effect is derived analytically to consider the angular dependency of the different anisotropies within the sensors. In the measured frequency spectra complex profiles are observable consisting of contributions from neighbouring structures which are connected by a common electrode. The crosstalk effect is strongly depending on the cantilever orientation and reflects the anisotropic mechanical properties of the material stack. The intensity of the crosstalk effect is increasing for shortened cantilevers and narrowing distance between structures. The ΔE effect is investigated based on cantilevers of different angular spacing and of a single cantilever that is rotated in the magnetic field. The derived peak sensitivities are reaching values of 1.15 and 1.31T-1. The angular dependency of the sensitivity is found to be approximately constant for differently oriented cantilevers. In contrast, for a singly rotated cantilever an angular dependency of the 4th order is observed.

A technical methodology of fabrication of hierarchically scaled multitude graphene nanogratings with varying pitches ranging from the micrometer down to sub 40 nm scale combined with sub 10 nm step heights on 4H and 6H semi-insulating SiC for length scale measurements is proposed. The nanogratings were fabricated using electron-beam lithography combined with dry etching of graphene, incorporating a standard semiconductor processing technology. A scientific evaluation of critical dimension, etching step heights, and surface characterization of graphene nanograting on both polytypes were compared and evaluated.

The nature of the self-sustained reaction of reactive materials is dependent on the physical, thermal, and mechanical properties of the reacting materials. These properties behave differently at the nano scale. Low-dimensional nanomaterials have various unusual size dependent transport properties. In this review, we summarize the theoretical and experimental reports on the size effect on melting temperature, heat capacity, reaction enthalpy, and surface energy of the materials at nano scale because nanomaterials possess a significant change in large specific surface area and surface effect than the bulk materials. According to the theoretical analysis of size dependent thermodynamic properties, such as melting temperature, cohesive energy, thermal conductivity and specific heat capacity of metallic nanoparticles and ultra-thin layers varies linearly with the reciprocal of the critical dimension. The result of this scaling relation on the material properties can affect the self-sustained reaction behavior in reactive materials. Resultant, powder compacts show lower reaction propagation velocities than bilayer system, if the particle size of the reactants and the void density is decreased an increase of the reaction propagation velocity due to an enhanced heat transfer in reactive materials can be achieved. Standard theories describing the properties of reactive material systems do not include size effects.

In this work, we experimentally investigate the effects of electric bias on the degradation of few-layer MoS2 back-gated field-effect transistors in ambient air. The devices were fabricated using mechanically exfoliated MoS2 flakes, which were transferred to a Si/SiO2 substrate by a PDMS-based transfer. We report an accelerated electric bias-induced degradation of the devices under investigation and used optical and scanning electron microscopy (SEM) to monitor changes of the morphology of the MoS2 channel. In particular, we found a linear dependency of the degradation on the electric field between the Ti/Au source and drain contacts. In addition, we identify four regions in which morphological changes occur, of which the edges of the MoS2 channel are most affected.

Der Transport von Materialien und Gütern bestimmt unseren Alltag. Materialtransport passiert in globalen Logistikunternehmen, in Fertigungslinien, in alltäglichen Situationen wie dem Einkaufen und selbst in unserem menschlichen Körper. Zu jedem Zeitpunkt werden Materialien von A nach B transportiert, ohne dass uns dies in vielen Situationen bewusst wird. Mit dem Unterschreiten von Größenordnungen im Mikro- und Nanometerbereich wird ein gezielter Materialtransport zu einer Herausforderung, da eine manuelle Manipulation nicht mehr möglich ist. Dennoch wäre es wünschenswert, wenn wir gezielt Material an einen gewünschten Ort transportieren und dort abscheiden könnten, denn diese Lokalisierung wird in vielen Anwendungsfeldern benötigt, um z.B. physikalische Eigenschaften auszunutzen oder chemische oder biologische Reaktionen auszulösen. Daher soll in dieser Arbeit eine Methode zum lokalisierten Materialtransport im Mikro- und Nanometerbereich vorgestellt werden. Diese Methode basiert auf elektrischen Kräften. Einfach ausgedrückt, laden wir ein beliebiges Material elektrisch auf und können es dann in einem elektrischen Feld manipulieren. Negativ geladenes Material wird von negativ geladenen Flächen abgestoßen und von positiv geladenen Flächen angezogen. So lässt sich ein gerichteter Materialtransport erzeugen. Das Material wird mithilfe einer negativen DC Corona-Entladung aufgeladen. Durch die Strukturierung von isolierenden Flächen auf leitfähigen Substraten lassen sich sogenannte elektrodynamische Trichter erzeugen, die das geladene Material zu den gewünschten Orten führen, es dort konzentrieren und abscheiden. Die Nutzung von elektrischen Kräften ermöglicht zudem eine Programmierbarkeit, da durch das Ändern der elektrischen Felder oder durch An- und Ausschalten von Elektroden die Position der Abscheidung, die Abscheideart oder die Abscheiderate geändert werden kann. Die Nutzung der Corona-Entladung ermöglicht eine hohe Freiheit bei der Materialwahl. Die Abscheidung von Metallen, Halbleitern, Isolatoren und biologischen Materialien in einem Größenbereich von Mikropartikeln bis hin zu einzelnen Molekülen wird gezeigt. Die Anwendungsgebiete der vorgestellten Methode sind vielfältig: Sie reichen von Luftüberwachung, Nanodrahtwachstum, Gassensorik bis hin zur Kristallzucht. Die experimentellen Ergebnisse werden mit elektrischen, optischen und materialspezifischen Analysen verifiziert. Darüber hinaus werden Simulationen durchgeführt, um die Art der Lokalisierung zu demonstrieren.

A two-dimensional numerical model for self-propagating reactions in Al/Ni multilayer foils was developed. It was used to study thermal properties, convective heat loss, and the effect of initial temperature on the self-propagating reaction in Al/Ni multilayer foils. For model adjustments by experimental results, these Al/Ni multilayer foils were fabricated by the magnetron sputtering technique with a 1:1 atomic ratio. Heat of reaction of the fabricated foils was determined employing Differential Scanning Calorimetry (DSC). Self-propagating reaction was initiated by an electrical spark on the surface of the foils. The movement of the reaction front was recorded with a high-speed camera. Activation energy is fitted with these velocity data from the high-speed camera to adjust the numerical model. Calculated reaction front temperature of the self-propagating reaction was compared with the temperature obtained by time-resolved pyrometer measurements. X-ray diffraction results confirmed that all reactants reacted and formed a B2 NiAl phase. Finally, it is predicted that (1) increasing thermal conductivity of the final product increases the reaction front velocity; (2) effect of heat convection losses on reaction characteristics is insignificant, e.g., the foils can maintain their characteristics in water; and (3) with increasing initial temperature of the foils, the reaction front velocity and the reaction temperature increased.

The fine structure of the exciton spectrum, containing optically allowed (bright) and forbidden (dark) exciton states, determines the radiation efficiency in nanostructures. Time-resolved microphotoluminescence in MoS2 monolayers (MLs) and bilayers (BLs), both unstrained and compressively strained, in a wide temperature range (10-300 K), is studied to distinguish between exciton states optically allowed and forbidden, both in spin and in momentum, as well as to estimate their characteristic decay times and contributions to the total radiation intensity. The decay times are found to either increase or decrease with increasing temperature, indicating the lowest bright or lowest dark state, respectively. The results unambiguously show that, in an unstrained ML, the spin-allowed state is the lowest for a series of A excitons (1.9 eV), with the dark state being <2 meV higher, and that the splitting energy can increase several times at compression. In contrast, in the indirect exciton series in BLs (1.5 eV), the spin-forbidden state is the lowest, being about 3 meV below the bright one. The strong effect of strain on the exciton spectrum can explain the large scatter among the published data and must be taken into account to realize the desired optical properties of 2D MoS2.

Efficient and green exfoliation of bulk MoS2 into few-layered nanosheets in the semiconducting hexagonal phase (2H-phase) remains a great challenge. Here, we developed a new method, water-assisted exfoliation (WAE), for the scalable synthesis of carboxylated chitosan (CC)/2H-MoS2 nanocomposites. With facile hand grinding of the CC powder, bulk MoS2 and water followed by conventional liquid-phase exfoliation in water, this method can not only efficiently exfoliate the 2H-MoS2 nanosheets, but also produce two-dimensional (2D) CC/2H-MoS2 nanocomposites. Interestingly, the intercalated CC in MoS2 nanosheets increases the interlayer spacing of 2H-MoS2 to serve as good candidates for the semiconductor devices. 2D CC/2H-MoS2 nanocomposites show superior electronic rectification effects in nonvolatile write-once-read-many-times memory (WORM) behavior with an ON/OFF ratio over 103, which can be rationally controlled by the weight ratios of CC and MoS2. These findings by the WAE method would open tremendous potential opportunities to prepare commercially available semiconducting 2D nanocomposites for promising high-performance device applications.

This communication uncovers missing fundamental elements and an expanded model of gas phase electrodeposition; a relatively new and in large parts unexplored process, which combines particle generation, transport zone and deposition zone in an interacting setup. The process enables selected area deposition of charged nanoparticles that are dispersed and transported by a carrier gas at atmospheric pressure conditions. Two key parameters have been identified: carrier gas flow rate and spark discharge power. Both parameters affect electrical current carried by charged species, nanoparticle mass, particle size and film morphology. In combination, these values enable to provide an estimate of the gas flow dependent Debye length. Together with Langmuir probe measurements of electric potential and field distribution, the transport can be described and understood. First, the transport of the charged species is dominated by the carrier gas flow. In close proximity, the transport is electric field driven. The transition region is not fixed and correlates with the electric potential profile, which is strongly dependent on the deposition rate. Considering the film morphology, the power of the discharge turns out to be the most relevant parameter. Low spark power combined with low gas flow leads to dendritic film growth. In contrast, higher spark power combined with higher gas flow produces compact layers.

Controlling the surface formation of the group-V face of (111)-oriented III-V semiconductors is crucial for subsequent successful growth of III-V nanowires for electronic and optoelectronic applications. With a view to preparing GaP/Si(111) virtual substrates, we investigate the atomic structure of the MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy)-prepared GaP(111)B surface (phosphorus face). We find that upon high-temperature annealing in the H2-based MOVPE process ambience, the surface is phosphorus-depleted, as evidenced by X-ray photoemission spectroscopy (XPS). However, a combination of density functional theory calculations and scanning tunneling microscopy (STM) suggests the formation of a partially H-terminated phosphorus surface, where the STM contrast is due to electrons tunneling from non-terminated dangling bonds of the phosphorus face. Atomic force microscopy (AFM) reveals that a high proportion of the surface is covered by islands, which are confirmed as Ga-rich by Auger electron spectroscopy (AES). We conclude that the STM images of the samples after high-temperature annealing only reflect the flat regions of the partially H-terminated phosphorus face, whereas an increasing coverage with Ga-rich islands, as detected by AFM and AES, forms upon annealing and underlies the higher proportion of Ga in the XPS measurements.

Gallium oxide was grown on silicon carbide substrates using a corona discharge assisted vapor phase epitaxy process and gold catalyst. It is shown that by implementing the corona discharge the morphology of the gallium oxide can be transformed. The excitation of the gas phase and the generation of excited species directly influence the growth morphology suppressing nanowire growth and supporting the transformation into heteroepitaxial growth.

In this work a new approach of analyzing epitaxial graphene layers on semi-insulating SiC through the gray-scale entropy of SEM images as a measure for the graphene inhomogeneity is demonstrated. Raman spectroscopy as a versatile and the standard tool for graphene characterization allows additionally the determination of the layer properties such as layer count, Fermi level, defect concentration and strain. It is shown that the gray-scale entropy correlates with the defect density derived from Raman measurements and thus can be used as an additional characterization technique with much higher resolution than the conventional Raman spectroscopy allows. As a consequence, the results are used to reflect the two-stepped growth itself and to conclude for advantageous growth conditions.

Metal-Plastic hybrid components and assemblies are gaining importance due to novel lightweight constructions and a growing integration of functions by using the right material at the right place. Thermal joining enables a joining technology for thermoplastic materials and engineering metals without using adhesive or joining elements. The paper provides novel investigations on the interaction between form fit and physicochemical interactions due to the combined use of specifically used oxide layers, interaction barriers and defined surface structuring by laser processing. Thereby, the design of experiments allows the investigation of the form fit as dominant interaction mode.

Stretchable metallic interconnects are commonly designed using a meander-shaped metal track with a uniform width. This article reports on a 'stress-adaptive' metal track design which varies in width to accommodate the produced torque in the metal track during stretching. The stress-adaptive design is inspired by computational and experimental studies of two conventional meander-shape metal tracks identifying a common failure mode; specifically, the propagation of torque leading to twist and mechanical fatigue. The understanding gained led to the stress-adaptive design. The stress-adaptive structure is compared with horseshoe- and U-shaped references and shows improvements in the stress distribution, levels of twist, maximum level of elongation (>320%), and required stretch and release cycles (>6000 at 150% elongation) to cause failure in a long term cycling test.

Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik wenden sich der Realisierung mechanischer dehnbarer Elektroniken zu. Diese sind in der Lage sich umzuwandeln um neue Formfaktoren anzunehmen. Um eine nahtlose Integration der Elektronik in unsere Alltagsgegenstände und viele weitere Anwendungsfelder zu ermöglichen, bei denen herkömmliche starre elektronische Systeme nicht ausreichen, ist mechanische Dehnbarkeit notwendig. Diese Arbeit zielt darauf ab, eine dehnbare Leiterplattentechnologie (sPCB) zu demonstrieren, die mit industriellen Herstellungsprozessen kompatibel ist. Idealerweise soll das starre Trägersubstrat der konventionellen Elektronik durch ein dehnbares Gummisubstrat mit dehnbaren Leiterbahnen ersetzt werden. Zunächst wurde eine Methode entwickelt, um eine industrietaugliche, einlagige, dehnbare Leiterplatte zu realisieren. Der dargestellte Ansatz unterscheidet sich von anderen Methoden in diesem Bereich, welche die Metallisierung auf dem Gummisubstrat aufbringen und die Komponenten anschließend darauf montieren. Dadurch leiden diese unter einer geringeren Ausrichtung und Fixierung. Stattdessen wird im dargestellten Ansatz ein harter Träger verwendet, der den Einsatz des dehnbaren Gummimaterials bis ans Ende der Prozesskette verschiebt. Diese Single-Layer-Methode wurde weiterentwickelt, um mehrschichtige, integrierte sPCB zu realisieren, bei der verschiedene Metallisierungsebenen durch vertikalen Durchkontaktierungen (VIA) miteinander verbunden werden. Auch dieses Verfahren verwendet konventionelle starre Träger für den Herstellungsprozess. Wie in der konventionellen Leiterplattentechnologie ist auch die Herstellung auf starren Trägern wichtig, da sie Folgendes ermöglicht: Ausrichtung und Registrierung, Hochtemperaturprozesse, konventionelle Chip-Bestückung durch Roboter und "On-Hard-Carrier"-Bauteiltests. Darüber hinaus ermöglicht die dargestellte Methode den direkten Einsatz handelsüblicher SMDs, was für die einfache Realisierung komplexer elektronischer Schaltungen wichtig ist. Als Endsubstrat kommt ein hochelastisches Silikonmaterial (EcoFlex) zum Einsatz, welches die Bauelementebenen einkapselt. Um die Bauelementebenen vom harten Träger auf das weiche Substrat zu übertragen, wird ein einstufiges, waferbasiertes und lösungsmittelfreies Ablöseverfahren eingesetzt, bei dem die differentielle Grenzflächenadhäsion einer Multi-Opferschichten genutzt wird. Für die hochelastischen Leiterbahnen wurde ein neues Mäander-Metallbahndesign entwickelt, welches als "spannungsadaptiv" bezeichnet wird. Die neue Mäander-Metallbahn variiert in ihrer Breite, um das einwirkende Drehmoment in den Metallbahnen, aufgrund der ungleichmäßigen Spannungsverteilung über die Mäander-Schleifen, aufzunehmen. Das spannungsadaptive Design zeigt eine signifikante Verbesserung der Spannungsverteilungen auf den Metallbahnen und führt experimentell zu einem höheren Niveau der maximalen Dehnung und der Anzahl der Dehnungszyklen. Es wurde eine breite Palette von dehnbaren Systemen demonstriert, darunter Elektronik, Optoelektronik, Akustoelektronik und Sensor-Arrays. Die Demonstratoren, auf Basis einer einzigen Metallisierungsschicht in einer Gummimatrix, enthalten Arrays mit gehäusten SMDs, LED-Nacktchips, laborgefertigte Si [my]-Transistoren und MEMS-Mikrofone. Weiterhin wird eine integrierte Multilayer-sPCB mit Chip-großen LEDs und Transistoren demonstriert, um eine adressierbare aktive Matrix zu realisieren. Dieser Prototyp demonstriert die Machbarkeit von integrierten Multilayer-sPCB und wird im Prinzip dazu führen, dass jedes heute bekannte elektronische System in ein äquivalentes dehnbares System überführt werden kann. Schließlich stellt diese Arbeit das bahnbrechende Konzept der metamorphen Elektronik vor, welche sich umwandeln kann um neue Topologien und Formfaktoren anzunehmen. Es werden verschiedene Arten von Deformationsmechanismen demonstriert, darunter das Aufblasen von gleichförmigen oder strukturierten Gummimembranen, 3D-geführte Deformationen und Vakuumformung in Kombination mit 3D-Schablonen. Die Palette der Topologien reicht dabei von halbkugelförmig, kugelförmig, konkav/konvex, pyramidenförmig, turmartig, bis hin zu komplexeren 3D-Formen, darunter Bienenaugen-Strukturen.

In der Forschung rücken neben der etablierten Siliziumtechnologie immer mehr auch alternative Bauelemente und Materialien in den Mittelpunkt, die bestehenden Grenzen der Funktionalität überschreiten können. Die Arbeit beschäftigt sich mit diesen beiden Ansätzen. Zum einen wird AlGaN/GaN als Beispiel für Heterosysteme vorgestellt. Es wird gezeigt, wie ein zweidimensionales Ladungsträgergas an der AlGaN/GaN-Grenzfläche entsteht. Mit Hilfe von Simulationen wird der Einfluss von Parametern wie Aluminiumgehalt und Barrieredicke auf Ladungsträgerdichte und -beweglichkeit untersucht. Der praktische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf und der Realisierung von AlGaN/GaN-basierten Nanostrukturen, die durch nicht-klassische Effekte eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten als Gleichrichter, Seitengate-Transistoren, logischer Gatter und selektiven Schaltern eröffnen. Eine solche universelle Struktur ist das Three-Terminal Junction (TTJ) Bauelement. Der von anderen Materialsystemen bekannte Aufbau wird auf AlGaN/GaN überführt. Es wird gezeigt, wie sich geometrische Anordnung (T- und Y-Aufbau) sowie strukturelle und externe Parameter (Kontaktbalkenbreite, -länge, Temperatur) auf seine Funktion auswirken. Durch eine Fortentwicklung des T-Aufbaus kann der Self-Gating-Effekt dieser Bauelementeart forciert werden. Darüber hinaus wurde in den hergestellten Strukturen erstmalig eine positive Gleichrichtung beobachtet. In der vorliegenden Arbeit wird auch dieser untersucht und die bestimmenden Effekte für sein Auftreten (physikalische Effekte sowie essentielle Strukturparameter) systematisch analysiert und erläutert. Aufgrund des Aufbaus und der Funktion kann man auch von T-Gleichrichtbauelementen und Y-Gleichrichtbauelementen sprechen. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf weitere Bauelemente gegeben, die sich in AlGaN/GaN- Heterosysteme überführen lassen und neue Anwendungsfelder eröffnen. Dabei werden Dioden vorgestellt, die auf geometrischer Grundlage ohne Dotierstoff- oder Materialübergang realisiert werden können und daher besonders für alle Arten von zweidimensionalen Materialien geeignet sind. Zudem lassen sich die TTJ-Bauelemente durch leichte Veränderungen in Transistoren mit Seitengate-Steuerung überführen. Diese Bauelemente wurden ebenfalls hergestellt und untersucht.

We describe a new transport mechanism that supports the localized collection of airborn analytes at higher rates when compared to diffusion based standard commonly used. It combines advanced aerosol science with novel nanosensor designs. Background: The detection of single molecular binding events has been a recent trend in sensor research introducing various sensor designs where the active sensing elements are nanoscopic in size. While it is possible to detect single binding events, the research has not yet addressed the question of how to effectively transport airborne analytes to these point-like sensing structures. Currently, diffusion-only-transport is used and it becomes increasingly unlikely for an analyte molecule to “find” and interact with sensing structures where the active area is shrunk in size, trading an increased sensitivity with a long response time. Approach: Instead of using diffusion-only-transport, this report introduces various analyte charging methods and electrodynamic nanolens based analyte concentration concepts to transport airborne analytes to nanoscopic sensing points to improve the response time of existing gas sensor designs. We demonstrate localized collection of analytes over a wide range of molecular weights ranging from 3×1017 to 1×102 Daltons, including (i) microscopic analyte particles, (ii) inorganic nanoparticles, all the way down to (iii) small organic molecules. We also demonstrate first experimental results towards an programmable active matrix based analyte collection approach referred to as "Airborn Analyte Memory Chip/Recorder" for "OFFSITE" analyte analysis, which (i) takes samples of the particles or molecules in an Aerosol at specific points in time, (ii) transports the analyte sample to a designated spot on a surface, (iii) concentrates the analyte at this spot to achieve an amplification, (iv) repeats this sequence until the recording matrix is full, and (v) reads out the analyte matrix on the chip. Implications: In all cases we find that the collection rate is several orders of magnitudes higher than in the case where the discovered collection schemes is turned off and where collection is driven by diffusion-only-transport. The collection scheme is integrated on an existing surface-enhanced Raman spectroscopy based sensor. In terms of response time, the process is able to detect analytes at 9 parts per million within 1 second. As a comparison, 1 hour is required to reach the same signal level when diffusion-only-transport is used. The novel "Airborn Analyte Memory Chip/Recorder" achieved by this approach could be a commodity item that is placed in an environment that a user would like to keep a record from. The information is retrieved on an as needed basis. Offsite analysis of the chip storing the information would make this approach more economical than an online monitoring system for all kinds of threads.

Thin AlOx films were grown on 4H-SiC by plasma-assisted atomic layer deposition (ALD) and plasma assisted electron-beam evaporation at 300&ring;C. After deposition, the films were annealed in nitrogen at temperatures between 500&ring;C and 1050&ring;C. The films were analyzed by X-ray reflectivity (XRR) and atomic force microscopy (AFM) in order to determine film thickness, surface roughness and density of the AlOx layer. No differences were found in the behavior of AlOx films upon annealing for the two different employed deposition techniques. Annealing results in film densification, which is most prominent above the crystallization temperature (800&ring;C). In addition to the increasing density, a mass loss of ˜5% was determined and attributed to the presence of aluminum oxyhydroxide in as deposited films. All changes in film properties after high temperature annealing appear to be independent of the deposition technique.

Die fötale Mikroblutuntersuchung wird zur Überwachung der Sauerstoffversorgung von Föten während der Geburt eingesetzt. Mit herkömmlichen Blutgasanalysatoren kommt es allerdings immer wieder zu Schwierigkeiten da nur sehr geringe Mengen fötalen Blutes (wenige 10 myl) für die Untersuchung zur Verfügung stehen. Ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) bieten durch ihre Miniaturisierbarkeit das Potential das benötigte Volumen wesentlich zu reduzieren. In der vorliegenden Arbeit wird die Grundlage für die Anwendung von Aluminium-Gallium-Nitrid(AlGaN)-basierten ISFETs für die fötale Mikroblutuntersuchung geschaffen. Dazu werden AlGaN/GaN-Heterostrukturen mit Metall- und Elektrolytkontakt impedanzspektroskopisch charakterisiert. Es wird gezeigt, dass das standardmäßig verwendete eindimensionale Ersatzschaltbild die zweidimensionale Verarmungscharakteristik des zweidimensionalen Elektronengases nicht ausreichend genau beschreibt. Daher wird ein erweitertes Ersatzschaltbild unter Verwendung von sogenannten "constant phase elements" hergeleitet und verifiziert. Auf Basis des neuen Ersatzschaltbildes werden Drifteinflüsse charakterisiert sowie die pH-Sensitivität der AlGaN-pH-Sensoren bestimmt. Neben der lichtinduzierten Drift durch persistente Photoleitung, kann auch eine langsame elektrochemische Korrosion des Sensors nachgewiesen werden. Für die Reduzierung der lichtinduzierten Drift wird die kontinuierliche Beleuchtung der Sensoren untersucht und eine deutliche Verkürzung der Driftdauer für rotes Licht festgestellt. Die Vergrößerung der Dicke der GaN-Deckschicht und die Reduzierung des Aluminiumgehalts in der AlGaN Barriereschicht erhöht nachweislich die Korrosionbeständigkeit der Sensoren.Unter Verwendung dieser Optimierungsschritte wird gezeigt, dass eine Genauigkeit von ±0.03pH für die pH-Wert-Bestimmung in verschiedenste wässrige Lösungen sowie für Nabelschnurblut erreicht werden kann. Die erzielten Ergebnisse werden für die Entwicklung eines Mikro-Blut-pH Analysators mit einem Minimal-Probenvolumen von nur 10myl verwendet, der die Genauigkeits- und Präzisionsanforderungen der Richtlinie der Bundesärtzekammer erfüllt. Im Rahmen dieser Arbeit wird damit erstmalig gezeigt, dass AlGaN-basierte pH-Sensoren für die genaue und präzise Bestimmung des pH-Wertes in komplexen biochemischen Flüssigkeiten wie z.B. Nabelschnurblut geeignet sind.

We have fabricated epitaxial side-gate graphene field-effect transistors (FETs) with high transconductance. A side-gate graphene FET with 5560 nm2 active channel dimensions and a lateral gate-channel separation of 95 nm showing a high transconductance of 590 mS/mm is presented. An estimation of the electrostatic gate-channel capacitance of epitaxial side-gate graphene FETs shows that it is in the same order as the electrostatic gate capacitance of common top-gate graphene MOSFETs justifying the high transconductances of our devices. The results of the present paper demonstrate the potential of the side-gate architecture for graphene transistors.

Auf Grund der gestiegenen Anforderungen für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) hinsichtlich Stabilität, Miniaturisier- und Integrierbarkeit, steigt das Interesse an neuen Materialsystemen wie den Halbleitern großer Bandlücke. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Schwerpunkte, die für die Herstellung GaN-basierter MEMS bewältigt werden mussten: zum Einen wurde das Wachstum auf selektiv zu GaN ätzbaren Substraten untersucht. In der vorliegenden Arbeit werden drei Substrate vorgestellt, welche sowohl das epitaktische Wachstum von GaN als auch das Freistellen der Struktur erlauben. Dazu gehört die Verwendung von 4H-SiC als Substrat, welches sich kürzlich als isotrop ätzbar erwiesen hat. Als zweites wird das epitaktische GaN-Wachstum auf nanokristallinen, gesputterten AlN-Opferschichten gezeigt, welches die MEMS-Herstellung auf Saphir ermöglicht. Im letzten Fall erfolgt das Wachstum auf Siliziumsubstraten mit Hilfe einer 3C-SiC-Zwischenschicht. Die piezoelektrischen Eigenschaften von (GaN/)AlGaN/GaN-Heterostrukturen standen im zweiten Schwerpunkt im Fokus. Dabei dient die AlGaN-Schicht und in einigen Fällen eine zusätzliche GaN-Deckschicht als piezoelektrisch aktive Schicht. Das hochleitfähige 2D Elektronengas (2DEG) an der unteren AlGaN/GaN-Grenzfläche stellt dabei die zur Anregung benötige Rückelektrode zur Verfügung. Mit Hilfe der Elektroreflexion konnte die elektrische Feldverteilung in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung bestimmt werden. In Kombination mit der Piezokraftmikroskopie, bei welcher die spannungsabhängige Auslenkung der Schichten untersucht wurde, konnte das piezoelektrische Modul d33 für Al0.31Ga0.69N zuverlässig mit 5 pm/V bestimmt werden. Die Prozessierung der ersten GaN-basierten MEMS wird schließlich auf allen drei zuvor eingeführten Substraten vorgestellt, das Schwingungsverhalten für die piezoelektrische Anregung von Transversalschwingungen mit Hilfe von Vibrometermessungen sowie das rein elektrische Auslesen von Longitudinalschwingungen (ebenfalls für piezoelektrische Anregung) demonstriert

Der stetige Fortschritt der Herstellungsverfahrem von Nanoobjekten benötigt eine zeitgleiche Weiterentwicklung von Mess- und Analyseverfahren, die eine Qualitätssicherung und ein ungehindertes Vorstoßen in den Nanometerbereich zulassen bzw. unterstützen. Nur mithilfe geeigneter Werkzeuge und Analysetechniken können Objekte des Nanometerbereiches hergestellt, manipuliert, vermessen und visualisiert werden. Die von der Technischen Universität Ilmenau im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs entwickelte Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPM-Maschine) mit einem Messvolumen von 25 × 25 × 5 mm3 stellt ein Werkzeug genau für diese Analyseaufgaben im nanoskaligen Bereich dar. In dieser Arbeit wird die Integration verschiedener Analysetechniken in die NPM-Maschine gezeigt, um ein möglichst breites Anwendungsspektrum dieser Maschine zu erreichen. Neben der Entwicklung und Analyse, der für die Positionierunsicherheit benötigten Referenzstrukturen, werden in dieser Arbeit auch Messverfahren auf AFM-Basis zur Integration in die NPM-Maschine untersucht. Verschiedenartige Nanomessverfahren, insbesondere verschiedenen Modi der AFM-Technik, die zur Bestätigung und zur Analyse der Ergebnisse benutzt wurden, werden vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf Verfahren liegt, die sich für eine Integration in die NPM-Maschine eignen. Hierbei werden verschiedene Modi der AFM-Technik vorgestellt, die dafür geeignet sind.Anhand von Beispielmessungen werden die folgenden AFM-Sondermodi vorgestellt: die Kelvinsonden-Kraftmikroskopie (KPFM), die Magnetkraftmikroskopie (MFM), die Piezoelektrische Kraftmikroskopie (PFM) und die Spektroskopie mit dem AFM. Auf die Notwendigkeit von Referenzstrukturen zur Referenzierung wird ebenso eingegangen wie auf die Herstellung solcher Strukturen.

Im Rahmen dieser Arbeit sind Feldeffektgassensoren (Schottky Dioden, MOS Kapazitäten, und MOSFET Transistoren) auf der Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke (Siliziumkarbid (SiC) und Gallium Nitrid (GaN), sowie resistive Gassensoren, die auf aktiven Indiumoxid-Schichten (In2O3) basieren, für die Detektion von reduzierenden Gasen (H2, D2) und oxidierenden Gasen (NOx, O2), entwickelt worden. Die Entwicklung der Sensoren ist am Institut für Mikro- und Nanoelektronik der Technischen Universität Ilmenau in Zusammenarbeit mit General Electric (GE) Global Research (USA) und der Umwelt- und Sensortechnik GmbH (Geschwenda) durchgeführt worden. Kapitel 1: dient als eine Einführung in das mit dieser Arbeit verbundene wissenschaftliche Feld. Die theoretischen Grundlagen der Festkörper-Gassensoren werden dargestellt. Zusätzlich werden in diesem Kapitel die relevanten Eigenschaften der Materialien mit großer Bandlücke (SiC und GaN) präsentiert. Kapitel 2: Pt/GaN Schottky Dioden mit verschiedener Dicke des katalytischen Metalls werden als Wasserstoffgasdetektoren vorgestellt. Die Fläche sowie die Dicke von Pt-gates wurden zwischen 250 × 250 ?m2 und 1000 × 1000 ?m2, 8 und 40 nm, systematisch variiert. Die Sensorantwort (Sensorsreaktion) auf 1 vol.% Wasserstoff in synthetischer Luft wurde in Abhängigkeit von der aktiven Fläche, der Pt-Dicke, und der Betriebstemperatur untersucht. Durch Anheben der Betriebstemperatur auf ca. 350&ring;C und durch Reduzierung der Dicke des Pt auf 8 nm beobachteten wir eine beträchtliche Erhöhung der Empfindlichkeit sowie eine Verkürzung der Ansprech- und Erholzeiten. Untersuchungen am Elektronenmikroskop zeigten, dass das dünnere Platin eine höhere Korngrenzendichte aufwies. Die Erhöhung der Empfindlichkeit gemeinsam mit der Reduzierung der Dicke des Pt deuten auf die Dissoziierung von molekularem Wasserstoff an der Oberfläche, die Diffusion atomaren Wasserstoffs entlang der Korngrenzen des Platins und die Adsorption von Wasserstoff an der Pt/GaN Grenzfläche als ein möglicher Mechanismus der Detektion von Wasserstoff durch Schottky Dioden hin. Die Reaktion auf D2, NOx, and O2 von Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Strukturen mit Rhodium Schottky-Kontakten mit einer Dicke von 30 nm in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und der Gaspartialdrücke wurde in Kapitel 3 untersucht. Die Reaktion dieses Gates wurde als Verschiebung entlang der Spannungsachse in der Kapazität-Spannungs Kurve (C-V) nachgewiesen. Posi...

Die vorliegende Arbeit behandelt den Einsatz der Augerelektronenspektroskopie bei der Untersuchung von SiC-Schichten und -Einkristallen mit besonderem Augenmerk auf die Wirkung des Ionenstrahls auf die SiC-Oberfläche beim Sputtern. Die Augerelektronenspektroskopie eignet sich zur Bestimmung vieler Eigenschaften einer SiC-Oberfläche nach dem Beschuss mit Edelgasionen. Der theoretische Teil beinhaltet einen Beitrag zur Anwendung der Faktorenanalyse bei der Auswertung von Auger-Spektren. Ein weiteres Thema des theoretischen Teils ist die Sputtertheorie. Hier wird eine Korrektur der Sigmundschen Formel zur Berechnung der Sputterausbeuten präsentiert. Im experimentellen Teil der Arbeit werden Aussagen über die Abweichungen der Oberflächenzusammensetzung nach dem Sputtern und über die Konzentration der eingebauten Edelgase getroffen. Aus dem Vergleich zwischen den experimentell gemessenen und theoretisch berechneten bzw. simulierten Werten der Sputterausbeuten wird die effektive Oberflächenbindungsenergie von 4 eV/Atom für das Sputtern von SiC mit Edelgasen bestimmt. Sowohl der Nachweis der Änderungen der elektronischen Struktur bei den durch Ionenbeschuss zerstörten einkristallinen SiC-Oberflächen bzw. -Schichten als auch die Bestimmung des Leitungstyps mittels Augerelektronenspektroskopie erweitern das Einsatzgebiet dieser analytischen Methode in der SiC-Technologie.