Studienabschlussarbeiten

Die vorliegende Arbeit thematisiert die Herstellung von Galliumarsenid-Nanodrähten zur Anwendung der photoelektrochemischen Wasserspaltung. Das Ziel besteht hierbei darin die Nanodrähte in einer geordneten Struktur zu wachsen, um die Absorptionseigenschaften zu optimieren. Dazu findet eine dünne Aluminiummaske (UTAM) Anwendung, mittels derer Goldpartikel in homogenen Abständen auf einem Galliumarsenid-Substrat mit (111)-Oberfläche abgeschieden werden. Diese Goldpartikel induzieren im Rahmen der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) katalytisch das Wachstum der Nanodrähte. Bisherige Untersuchungen haben allerdings gezeigt, dass sich die Position der Partikel während eines vorbereitenden Prozesses zum Nanodrahtwachstum drastisch verändern kann. Diesem Verhalten wird mit einem zusätzlichen Schritt, dem sogenannten Pre-Annealing, entgegengewirkt. Mit Hilfe von Rasterelektronenaufnahmen wurden Modelle zur Bewegung der Goldpartikel während der einzelnen Prozessschritte entwickelt, die ein tiefgreifenderes Verständnis der Abläufe vermitteln. Die Sockelstruktur, welche die Goldpartikel während des Pre-Annealings bilden, weist verschiedene Formen auf und konnte als entscheidende Rolle bei der Bewegung der Partikel identifiziert werden. In daran anknüpfenden photoelektrochemischen Messungen wurde der Einfluss der geordneten Nanodrähte auf die Wasserstofferzeugung untersucht. Jedoch war es nicht möglich stabile Messbedingungen herzustellen, was vermutlich eine Folge der hohen Dotierkonzentration von Nanodrähten und Substrat im Bereich 10^19 cm^−3 und daraus resultierender Degeneration der Halbleiter ist.

Gruppe III-Nitride bieten aufgrund ihrer Materialeigenschaften eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten für optische Bauteile und Sensoren. Unter Ihnen haben auch Scandium enthaltende ternäre Verbindungshalbleiter das Interesse der Grundlagenforschung geweckt. In dieser Arbeit wurde das Wachstum von Scandiumgalliumnitrid (ScGaN) auf Si-face 6H-Siliziumcarbid (SiC) mithilfe plasmagestützter Molekularstrahlepitaxie (PAMBE), in einem Ultrahochvakuum-System, etabliert. In Vorbereitung auf das Wachstum wurden die Kontaminationen des SiC-Substrats durch einen HF-Dip und einen Gallium-Anneal entfernt. Die Implementierung von Scandium in das etablierte GaN-Wachstum geht mit einigen Herausforderungen einher: (i) ScN neigt zu kubischem Wachstum und (ii) Gallium tendiert zur Ausbildung von flüssigen Tropfen, bei einem zu niedrigen Angebot von Stickstoff. Das Ziel war es geeignete Wachstumsparameter für das Wachstum von hexagonalen ScGaN zu finden. Hierfür wurden Scandium- und Galliumfluss systematisch variiert. Das Wachstum wurde in situ mithilfe von Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion (RHEED) untersucht. Weitere Untersuchungen mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS) gaben Aufschluss auf die Stöchiometrie, Topografie und Valenzbandstruktur der Schichten. Diese Arbeit ist die Grundlage für folgende Untersuchungen an den elektronischen Eigenschaften von epitaktisch gewachsenen ScGaN-Schichten und deren Wechselwirkungen mit Gasmolekülen.

Es ist bekannt, dass Graphen-Triagulene aufgrund einer ungleichen Zahl an Atomen in beiden Untergitter einen magnetischen Grundzustand aufweisen. Die magnetischen Eigenschaften dieser Strukturen können durch die Größe des [n]-Triagulens oder durch Heteroatomsubstitution beinflusst werden. Dies macht sie besonders interresant für künftige spintronische Anwendungen und eröffnet den Weg hinzu organischen Spin-Logik-Bauelementen. Bislang scheint der Einfluss von Heteroatomen in größeren Triangulen (n>3) nicht geklärt zu sein. Diese Arbeit berichtet über die Bottom-up-Synthese von [5]-Aza-Triangulen mittels oberflächenunterstützter Cyclodehydrierung auf einer Au(111)-Oberfläche. Elektronische Transportmessungen, die mit einem Rastertunnelmikroskop durchgeführt wurden, enthüllen den magnetischen Grundzustands des Moleküls durch Phänomene nahe der Fermi-Energie. Darüber hinaus wird nicht nur der Einfluss von Heteroatomen, sondern auch von zusätzlichen Wasserstoffatomen, die den magnetischen Grundzustand entscheidend verändern können, beleuchtet. Mean-Field-Hubbard-Rechnungen bestätigen die Spinpolarisation und die elektronische Struktur der beobachteten Moleküle.

Die Proteindynamik am Modell der Gammaglobuline wurde mit Hilfe der physikalischen Methoden der Kernspinresonanzspektroskopie untersucht. Dabei wurde der Einfluss der Proteindenaturierung mittels Zugabe von Urea und Änderung des pH-Werts der Lösung auf die Proteindynamik analysiert. Durch das Messen der Relaxationszeiten im Niederfeld-Spektrometer konnte die langsame Dynamik, das heißt die Gesamtbewegung des Proteins, beobachtet werden. Des Weiteren dienten Diffusionsmessungen im Hochfeld zur Bestimmung der Diffusionskoeffizienten der Proteine und Fast-Field-Cycling-Messungen zur Bestimmung der Korrelationszeiten der Proteine. Zusätzlich wurde durch die Zugabe des Radikals 4-Hydroxy-TEMPO versucht spezifische Bereiche des Proteins zu markieren und Informationen über die Dynamik dieser spezifischen Bereiche zu erhalten.

Die Eignung von ScAlN zur Herstellung der piezoelektrischen Schicht in magnetoelektrischen MEMS wurde im Rahmen des Projekts ultrasensitive Magnetfeldsensorik mit resonanten magnetoelektrischen MEMS bereits nachgewiesen. Für die Realisierung dieses Sensors zur Messung kleinster Magnetfelder bei Raumtemperatur ist es notwendig, die piezoelektrische Schicht mit einer Rückelektrode zu kontaktieren. TiN erscheint aufgrund seiner metallischen Leitfähigkeit bei hoher mechanischer Stabilität geeignet. Dennoch gilt es zur Evaluation von TiN/ScAlN Schichtstapeln für die Awendung in magnetoelektrischen MEMS weitere Untersuchungen durchzuführen. Zum Erhalt der piezoelektrischen Eigenschaften von ScAlN ist hexagonales c Achsen orientiertes Wachstum desselben auf der TiN Schicht nachzuweisen. Den Einfluss der Verspannung letzterer gilt es auch in Bezug auf Depositionsparameter des PVD Clusters CS400 ES der Firma VON ARDENNE zu untersuchen. Abschließend erfolgt die Prüfung der Strukturierbarkeit der TiN Schicht mittels trockenchemischer Ätzverfahren in der ICP Chlor Multiplex der Firma STS. Prozesskontrollen erfolgen mittels Auflichtmikroskops, REM und XRD. Aufbauend auf (111) Si Wafern werden in einer ersten Serie die Schichtstapel Ti/TiN und Ti/TiN/ScAlN produziert. Hexagonales c Achsen orientiertes Wachstum von ScAlN auf TiN wird nachgewiesen. Der an den Ti/TiN Schichtstapeln variierte Target Substrat Abstand im Depositionsprozess führt zu Änderungen in der Schichtverspannung σ. Röntgenografische Untersuchungen im D8 Discover der Firma BRUKER zeigen dagegen nur geringe Veränderungen der kristallinen Qualität. Um die Druckverspannung von TiN zu minimieren, ist eine möglichst geringe Tischhöhe zu wählen. In einer zweiten Versuchsserie werden auf gleichem Substrat Pt/Ti/TiN/ScxAl1 xN Schichtfolgen hergestellt, wobei TiN unverspannt ist. Anstelle des AlSc Legierungstargets werden Reinstofftargets im Co Sputterverfahren eingesetzt. Im Vergleich beider Serien zeigt sich für Serie 2 die gewollte leichte Zugverspannung der ScAlN Schicht. Die FWHM vergrößert sich stark, was für eine schlechtere kristalline Qualität spricht. Zum Test der Strukturierbarkeit von TiN werden ausgewählte Proben lithografisch mit Teststrukturen maskiert. Die für die trockenchemischen Ätzversuche mit dem Fotoresist AZ5214E prozessierten Proben weisen nicht entfernbare Partikel auf. Es erfolgt die Wiederholung mit dem Lack AZ1518, bei dem derartige Defekte durch gezielte Überbelichtung vermieden werden. Im Tiefätzversuch zeigen sich Haftprobleme der Ni Schicht auf TiN. Im Versuch zum Freistellen der Teststruktur vom Si Substrat mittels F basierten Plasmas wird die TiN Schicht fast vollständig entfernt. Aufgrund der Alternativlosigkeit von F Atomen in diesem Prozess und nicht ausreichender Widerstandsfähigkeit von TiN ist dieses als nicht geeignet für die Anwendung in magnetoelektrischen MEMS zu bewerten.