Two-dimensional hybrid perovskites with alkylammonium cations for field-effect transistors. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Zweidimensionale (2D) organisch-anorganische Hybrid-Perowskite als eine spezielle Gruppe von Halbleitern mit abwechselnden organischen und anorganischen Schichten haben großes Interesse für Solarzellen und Leuchtdioden geweckt. Dies liegt an ihren natürlichen Vorteilen: den sperrigen hydrophoben organischen Kationen und dem dielektrischen Einschluss in der 2D-Schicht-Quantentopfstruktur, die im Vergleich zu ihren 3D-Gegenstücken die Luftstabilität erheblich verbessern und die Ionenbewegung unterdrücken kann. Darüber hinaus wirkt sich die chemische Struktur der organischen Kationen stark auf die optoelektronischen Eigenschaften von 2D-Hybridhalogenid-Perowskiten und Bauelementen aus. Die Korrelation zwischen der chemischen Struktur des organischen Kations und dem Ladungsträgertransport in 2D-Perowskiten wird jedoch weniger beachtet. In dieser Studie untersuchen wir mit Hilfe eines Feldeffekttransistors (FET) den Ladungsträgertransport in Sn(II)-basierten 2D-Perowskit-Dünnschichten unter Verwendung von Zinnjodid-basierten 2D-Perowskiten mit organischen Spacern auf Alkylammoniumbasis. Es wird gezeigt, dass eine subtile Änderung der Molekularstruktur des organischen Kations die Kristallinität und Oberflächenmorphologie erheblich beeinflusst, was wiederum den Ladungsträgertransport in Perowskitfilmen in FETs bestimmt. Schließlich wird eine klare Korrelation zwischen der Anzahl der Kohlenstoffatome in der Alkylkette und der Mobilität der Bauelemente festgestellt.
Einfluss der Plasmadiffusionbehandlung auf das Eigenschaftsprofil von nichtrostenden austenitischen Stählen. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, austenitische Stähle hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz als alternative Materialien für Bipolarplatten in Brennstoffzellen zu untersuchen. Für die Randschichtbehandlung der RS-Stähle wurde in der vorliegenden Arbeit der austenitische Stahl 1.4404 aufgrund seiner guten Korrosionseigenschaften ausgewählt und mithilfe von plasmagestützen Diffusionsverfahren behandelt. Dabei stand der Einfluss der verschiedenen Prozessparameter auf die veränderten Werkstoffeigenschaften im Vordergrund. Die mikrostrukturellen Eigenschaften wurden mittels Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht und die Korrosionseigenschaften wurden mittels potentiodynamischer Polarisationsprüfung in säurehaltiger Umgebung getestet. Zudem wurde der Kontaktwiderstand vor und nach der Korrosion gemessen. Es wurden statistische Auswertungen durchgeführt, um signifikante Effekte zwischen der Mikrostruktur und den Prozessparametern und den Korrosionseigenschaften, sowie den elektrischen Kontakteigenschaften zu identifizieren. Dabei wurde ein Zusammenhang zwischen Mikrogefüge und gewählten Prozessparametern aufgezeigt. Die durch den Diffusionsprozess in die Oberfläche eingelagerte Fremdelemente wie Stickstoff bzw. Kohlenstoff führten zu Gitterverzerrungen, die zu einem Härteanstieg und einer Aufrauung der Oberfläche beitragen. In Korrosionstests zeigten sich plasmacarburierte Proben als korrosionsbeständiger als entsprechende plasmanitrierte Proben. Auch die Kontaktwiderstände ergaben bessere Eigenschaften für carburierte Stähle im Vergleich zu nitrierte, wohingegen die carburierten Stähle nach der Korrosion wesentlich schlechtere Kontaktwiderstände aufwiesen. Insbesondere scheint das Plasmanitrocarburieren als eine Kombination aus Plasmanitrieren und -carburieren vielversprechende Ergebnisse zu liefern. Darüber hinaus wurde auf experimenteller Basis ein Modell entwickelt, welches es erlaubt, die Dicke der S-Phase für ausgewählte austenitische Stähle vorherzusagen. Dies bietet das Potenzial, neben der tribologischen Optimierung auch den Einfluss der Parameter auf die Korrosionseigenschaften zu untersuchen.
Mikrotechnologischer Aufbau und Evaluation eines magneto-mikrofluidischen Demonstrator-Systems. - Ilmenau. - 210 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Mikrofluidik gewinnt in den letzten Jahren vor allem in den Bereichen Industrie und Forschung aber auch in Privatanwendungen gerade als sogenanntes "Lab-on-a-chip"-System immer mehr an Bedeutung. Diese mikrofluidischen Systeme sollen Funktionen eines modernen Labors auf einem Mikrochip erfüllen. Dafür ist zum Beispiel das präzise Transportieren von Fluiden notwendig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fertigung einer miniaturisierten Pumpe, die den magnetohydrodynamischen Effekt nutzt, der durch die Überlagerung von induziertem Strom und Magnetfeld eine das Fluid antreibende Lorentzkraft erzeugt. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden mehrere Designkonzepte des eigentlichen Pumpenkörpers evaluiert und verglichen. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Transparenz der Pumpe für eine optische Charakterisierung, die flüssigkeitsdichte Verkapselung sowie die Kompatibilität der Materialien mit dem Arbeitsmedium gelegt. Die drei vielversprechendsten Varianten werden anhand entworfener Prozesspläne mikrotechnologisch gefertigt und evaluiert. Als Ergebnis stehen mehrere verschiedene fluidisch dicht getestete Pumpenkörper mit integrierten Elektroden zur Verfügung, die für aufbauende Forschung verwendet werden können. Mit der vorliegenden Arbeit wird durch die Evaluation und Umsetzung verschiedener technologischer Ansätze die Grundlage für den Einsatz und die Weiterentwicklung von Pumpen auf Basis des magnetohydrodynamischen Effekts in mikrotechnologischen "Lab-on-a-chip"-Systemen gelegt.
Untersuchung zur Abformung von Mikro- und Nanostrukturen für mikrotechnische Anwendungen. - Ilmenau. - 110 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Grenzflächeneigenschaften von Oberflächen werden maßgeblich durch deren Mikro- und Nanostrukturierung beeinflusst. Zu diesen Eigenschaften zählt beispielsweise der Grad der Benetzbarkeit, die optischen Eigenschaften oder auch die Hafteigenschaften. Sie sind für technologische Anwendungen sehr interessant und werden in diversen Bereichen bereits gezielt eingesetzt. Die Erzeugung dieser mikro- und nanostrukturierten Oberflächen mit den Standardverfahren der Mikrosystemtechnik sind jedoch aufwändig und kostenintensiv. Ein zielführender Weg ist die direkte Replikation von natürlichen Oberflächen mit funktionalen Eigenschaften und deren parallele Übertragung auf mikrotechnische Substrate und Strukturen. Dieser Ablauf wird bisher jedoch in keinen reproduzierbaren Prozess integriert. Ziel dieser Arbeit ist es, einen solchen Prozess zu entwickeln. Dazu werden zuerst von den ausgewählten Naturoberflächen Negative der Oberflächenstrukturen aus PDMS erstellt. Diese sogenannten weichen Stempel werden anschließend in einen Lack mittels Soft Stamp UV-Lithografie übertragen. Abschließend erfolgt ein Ätzen der Imprints in das darunterliegende Zielsubstrat. Gegenstand dieser Untersuchungen sind die Beispieloberflächen hydrophober Blätter wie Kohlrabi, Rose oder Kapuzinerkresse. Mit Hilfe eines optimierten Regimes zur Erzeugung von weichen Negativen können Strukturen der biologischen Proben parallel und schnell übertragen werden. Die Messungen zeigen, dass die ausgewählten Pflanzenproben Strukturen in einem Höhen- und Breitenbereich von 5-10 [my]m bzw. 20-120 [my]m aufweisen. Strukturbreiten dieser Größenordnung sind auch auf den erstellten PDMS-Stempeln, Imprints und geätzen Siliziumchips zu finden. In den PDMS-Stempeln werden außerdem die gleichen Strukturhöhen gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Strukturtreue mit einer Abweichung von unter 5 % bei der Replikation vorhanden ist. Zur erfolgreichen Übertragung der Strukturhöhen in einen Lack, muss dessen Mindesthöhe den Maximalwerten der Strukturhöhen entsprechen. Der vorhandene Lack AMONIL MMS4 besitzt eine Höhe von 0,2 [my]m. Anhand einer Kontaktwinkelmessung werden die Benetzungseigenschaften der Imprints und geätzten Siliziumchips ermittelt. Durch die aufgebrachte Strukturierung ist keine Veränderung der Benetzungseigenschaften zu den unstrukturierten Vergleichsproben festzustellen. Dies lässt sich auf die begrenzende Lackhöhe zurückführen. Durch eine wiederholte Prozessdurchführung und Auswertung der Strukturen der einzelnen Schritte wird die Strukturtreue und Reproduzierbarkeit des erarbeiteten Prozesses verifiziert. Die LSM- und REM-Aufnahmen, sowie die statistische Auswertung der Ergebnisse zeigen, dass die Mikrostrukturen der Blattoriginale abgeformt werden können. Damit leistet die Arbeit einen wichtigen Beitrag, biologische Oberflächen zu replizieren und in technische Anwendungen zu überführen. So kann für zukünftige Forschungsvorhaben in diesem Bereich der erarbeitete Prozessplan als Ausgangspunkt genutzt werden.
Evaluation of the fabrication of nanostructures using nanoimprint lithography. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Soft UV-Nanoimprint Lithografie (Soft UV-NIL) ist eine bekannte Lithografie Technik, die sich durch ihre relativ einfache Implementierung auszeichnet und leicht nachträglich an Geräte angebracht werden kann. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen bei der Herstellung von Strukturen auf einem Spin Coated Wafer mittels Soft UV-NIL mit einem selbst gebauten NIL Gerät, welches über drei Achsen und einen Kraftsensor verfügt. Hierbei werden verschiedene Einflüsse auf die resultierenden Strukturen experimentell untersucht. Es wurde sowohl die zeitliche Nutzbarkeit des verwendeten Resists AMONIL MMS4, als auch der Einfluss der verwendeten Imprint-Kraft auf die resultierende Strukturhöhe getestet. Dabei zeigte sich das der Resist bis zu 90 min nach dem Auftragen nutzbar blieb. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders der Einfluss der parasitären Eigenschaften, die durch das Verwenden von UV-Licht (Radiation Bleed) entstehen und den Abstand zwischen Imprints für späteres Stitching limitiert. Hierbei wurde getestet, ob mit einer geringeren UV Dosis der Abstand verringert werden kann, was bei dem selbstgebauten Gerät erfolglos blieb. Des Weiteren zeigte die Untersuchung der parasitären Effekte, dass diese richtungsabhängig sind und berücksichtigt werden müssen.
Synthesis and characterization of hematite thin film photoanodes for photoelectrochemical water splitting. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Hämatit ([alpha]-Fe2O3) wurde als Photoanodenmaterial auf dem Gebiet der photoelektrochemischen (PEC) Wasserspaltung aufgrund seiner Verfügbarkeit, Ungiftigkeit, und seiner hohen Stabilität in der wässrigen Lösung ausführlich studiert. Trotz der vielversprechenden Eigenschaften ist die Effizienz durch die kurze Lebensdauer und Diffusionslänge der generierten Ladungsträger begrenzt, die im Vergleich zur optischen Absorptionslänge ungenügend ist. Die hier vorgestellte Arbeit konzentriert sich darauf, die PCE-Leistung von Hämatit-Dünnschicht-Photoanoden zu evaluieren. Die Hämatit-Dünnschichten wurden durch thermische Oxidation auf leitfähigen, mit Fluor-dotiertem Zinnoxid (FTO) beschichten Glas-Subtraten und auf nanostrukturierten Siliziumsubstraten aufgebracht. Die PEC Leistung wurde durch die Steuerung der Hämatit Schichtdicke, sowie durch Anpassung des thermischen Oxidationsprozesses (Temperatur, Zeit, Erwärmungs- und Abkühlungsrate) optimiert. Ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad wurde für eine Dünnschicht-Elektrode ermittelt, welche auf einem FTO beschichten Substrat erzeugt und bei 750 ˚C oxidiert wurden. Im Vergleich zu den FTO-Proben zeigten Photoanoden die aus Siliziumsubstraten hergestellt wurden eine verminderte Leistung, was unter anderem auf nicht kompatible nanostrukturierte Substrate für das in dieser Studie verwendete Abscheidungsverfahren hindeuten könnte. Des Weiteren zeigte auch die Reinigung der Substrate einen Einfluss auf die PEC-Leistung.
Prozessoptimierung der Plasmastrukturierung komplexer Gläser mittels Design of Experiments Ansatz (DoE). - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Diese Arbeit befasst sich mit der Prozessoptimierung zum Tiefenätzen komplexer Gläser im Fluorplasma mit dem Ansatz der statistischen Versuchsplanung. Dabei ist das Ziel den Einfluss ausgewählter Prozessparamater auf das Ätzergebnis zu untersuchen. Als Ätzmaskierung werden kostengünstige Alternativen zu den aufwendigen Hartmasken aus Nickel betrachtet. Für das Ätzen wird ein induktiv-gekoppeltes Plasma (ICP-RIE) mit hoher Plasmadichte und niedrigem Prozessdruck und als Substratmaterial Borofloat 33 eingesetzt. Borofloat 33 gestattet ein breites Anwendungsspektrum in der Mikrotechnologie. Auf Grund der chemischen Zusammensetzung und der damit verbundenen Bildung nichtflüchtiger Reaktionsprodukte im Fluorplasma ist die plasmabasierte Strukturierung von Borofloat 33 durchaus herausfordernd. Mit Hilfe des "Design-of-Experiment"-Ansatzes (DoE) werden Einfluss und Wechselwirkungen der Prozessparameter auf das Ätzergebnis untersucht. Dabei werden die Oberflächenrauheit, die Ätzrate, der Flankenwinkel als auch die Selektivität gegenüber der verwendeten Resistmaske betrachtet. Um den Einfluss der Prozessparameter im Plasma quantitativ zu verstehen und zu bewerten, wurde ein vollfaktorieller Versuchsplan angewendet. Das lineare Modell für jede Prozessreaktion (Glas-Ätzrate, Oberflächenrauheit, Selektivität und Flankenwinkel) wurde per Statistik-Software erstellt und die Ergebnisse wurden überprüft. Die Analyse der Glasätzrate zeigt, dass sowohl die Bias- als auch die ICP-Leistung sowie deren Wechselwirkung einen signifikanten Einfluss haben. Die Betrachtung der Residuen-Diagramme zeigt aber, dass das lineare Modell nicht genau die Prozessreaktion (Glas-Ätzrate) abbildet. Als Haupteffekt für die Rauheit lässt sich der Druck identifizieren und mit Hilfe des Regressionsmodells abbilden. Die Selektivität hingegen wird hauptsächlich durch die Bias-Leistung beeinflusst. Je nach Wahl der Prozessparameter lassen sich beim aktuellen Stand der Untersuchungen Ätzraten im Bereich von 610 nm/min und Selektivitäten im Bereich von 0,45 erreichen. Eine Beeinflussung der Rauheit und es Flankenwinkels für Ätztiefen im Bereich von 10 [my]m sind ebenfalls möglich. In Zukunft sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Modelle weiter zu verfeinern und das Ätzen tieferer Strukturen zu untersuchen.
Untersuchung eines laserlithographischen Mikrostrukturierungsprozesses für die Mix-and-Match Lithographie. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, einen laserlithographischen Mikrostrukturierungsprozess zu untersuchen, der eine zukünftige Mix-and-Match Technologie mit der Feldemissions-Rastersondenlithographie ermöglichen soll. Genauer wird dabei die Auflösung der Laserlithographie in einem speziell für die Mix-and-Match Technologie verwendeten Resist betrachtet. Auf Basis der Funktionsweise der Strukturierung durch Laserdirektbelichtung und den Grundlagen der lithographischen Auflösung, können die auflösungsbestimmenden Einflussfaktoren identifiziert werden. Unter Kenntnis der Parameter werden bereits etablierte Methoden genutzt und angepasst, um vielversprechende Prozesseinstellungen zu identifizieren. Dabei findet eine Erzeugung von Linien zur Bestimmung der Auflösung statt. Eine anschließende Untersuchung der erzeugten Strukturen gibt Aufschluss, inwieweit die ermittelten Parameterwerte dafür nutzbar sind, Strukturen der kritischen Abmessungen herzustellen. Die Analyse der Probe zeigt, dass die gewählten Einstellungen zu Ergebnissen führen, die für lithographische Folgeprozesse einen Optimierungsbedarf aufweisen.
Experimental and simulation study of particle sorting using deterministic lateral displacement in silicon ceramic substrate. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Mikrofluidik kann bestimmte Flüssigkeitsvolumina (in [my]l) kontrollieren und manipulieren, was in Anwendungen wie der Analyse von Mikroorganismen (z.B. Einzelzell-basierte Analyse zur Untersuchung der Zellaktivität), der Sortierung biologischer Zellen usw. genutzt wird. Es gibt verschiedene Arten von aktiven Trenntechniken für biologische Zellen, die viele externe Kräfte wie magnetische, elektrische und akustische benötigen, die eine bessere Effizienz haben und komplizierte Herstellungstechniken beinhalten. Deterministic Lateral Displacement (DLD) ist eine passive mikrofluidische Filtrationstechnik, die die Trennung von Zellen basierend auf ihrer Größe mit Hilfe verschiedener Pfosten oder Säulen ohne externe Kräfte ermöglicht. Die deterministic lateral displacement technik hängt von vielen Parametern ab, wie z.B. dem Säulendurchmesser, dem Abstand zwischen den Säulen, der Anordnung der Säulen, etc. Experimentelle- und Simulationsergebnisse haben die Funktionsweise der deterministic lateral displacement und ihre Fähigkeit, Partikel nach Größe zu trennen, gezeigt. Polystyrenespartikeln mit einer Größe ähnlich der von Erythrozyten (9 [my]m) und Krebszellen (25 [my]m) sind durch das DLD-Array geflossen. Dann wurde die Effizienz des DLD-Arrays untersucht und seine Funktionsweise experimentell verifiziert. Finite-Elemente-Analyse-Software wie comsol multiphysics wurde verwendet, um die Flugbahn größerer und kleinerer Partikel innerhalb des DLD-Arrays zu simulieren und ihr Verhalten zu untersuchen. Die Particle tracing physics, die laminar flow physics und die wall interface physics wurden in Comsol verwendet, um das Arbeitsmodell der DLD zu erstellen. Die primäre Randbedingung ist die Geschwindigkeitsinitialisierungsbedingung, die in der Particle tracing physics verwendet wird, um den deterministic lateral displacementprozess innerhalb des mikrofluidischen Chips zu simulieren. Die mikrofluidischen Kanäle werden im Silizium-Keramik-Substrat (SiCer) deterministic lateral displacement durch reaktives Ionenätzen hergestellt. Später werden die Silizium- und LTCC-Bänder übereinander gestapelt. Sie werden bei einer Temperatur von etwa 80 ˚C laminiert. Das SiCer-Substrat wird schließlich durch anodisches Bonden mit dem Glas verbunden. Der mikrofluidische Chip wird im Mikroskop für Partikelverfolgungsstudien analysiert. Schlüsselwörter: Comsol Multiphysics, Deterministic Lateral Displacement, Silizium-Keramik-Substrat.
Untersuchung und Optimierung des Electrowetting-Verhaltens eines neuartigen optoelektrischen Flüssigkeitssystems. - Ilmenau. - 135 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes können Kontaktwinkel zwischen einem Flüssigkeitstropfen und einer Festkörperoberfläche verändert werden. Dieser Effekt ist als Electrowetting beziehungsweise, bei der Verwendung einer isolierenden Schicht zwischen Flüssigkeit und Elektrode, als Electrowetting on Dielectrics (EWOD) bekannt. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Untersuchung des EWOD-Verhaltens von Wasser und Ethylenglycol und die Identifizierung des Optimierungspotentials im Hinblick auf eine maximale Kontaktwinkeländerung bei minimaler Spannung. Für die experimentelle Erprobung werden Testsubstrate am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien der Technischen Universität Ilmenau gefertigt. Zur Durchführung der Electrowetting-Untersuchungen mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera wird ein eigener Versuchsstand mit elektrischer Ansteuerung entwickelt und aufgebaut. Die Bestimmung von Kontaktwinkeln in den aufgenommenen Bildern erfolgt automatisiert durch ein eigens realisiertes Bildverarbeitungsprogramm. Die Untersuchungen der drei Flüssigkeitssysteme Wassertropfen an Luftumgebung, Wassertropfen in Silikonöl und Ethylenglycoltropfen an Luftumgebung auf den eigenen Substraten zeigen, dass eine große Kontaktwinkelhysterese existiert. Die Kontaktwinkelhysterese beschreibt den größten Kontaktwinkelunterschied von Tropfen einer Flüssigkeit auf Substraten bei gleichen Bedingungen. Am System von Wassertropfen an Luft wird beispielsweise eine Schwankung initialer Kontaktwinkel von 106˚-113˚ gemessen. Weiterhin zeigen Ethylenglycoltropfen an Luft ein schwaches Entnetzungsverhalten. Die initialen Winkel dieses Systems liegen im Bereich von 90˚-94˚. Die Kontaktwinkelhysterese wird als charakteristische Eigenschaft zur Beurteilung der Oberflächenqualität der Teflonschicht der Substrate identifiziert. Dadurch wird das Electrowetting-Verhalten der Flüssigkeiten maßgeblich beeinflusst. Durch Anpassung der Prozessparameter im Fertigungsprozess kann die Oberflächenqualität der Teflon-schicht deutlich verbessert werden. Dies wird durch eine um mehr als 50 % verringerte Kontaktwinkelhysterese sowie Rauheitsmessungen mit spektraler Ellipsometrie nachgewiesen.