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INANOMIK

INANOMIK. INtegration und ANwendung von NanO-Drähten durch MIKro-Nano-Fabrikation und Mikro-Montage Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak. Abschlussveranstaltung zur MNI des BMBF 13./14. März 2008 Berlin. Partner im Projekt INANOMIK.

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Presentation Transcript

  1. INANOMIK INtegration und ANwendung von NanO-Drähten durch MIKro-Nano-Fabrikation und Mikro-Montage Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak Abschlussveranstaltung zur MNI des BMBF 13./14. März 2008 Berlin 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 1

  2. Partner im Projekt INANOMIK • TU Darmstadt, FB Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK) (Projektleitung)Prof. H. F. Schlaak, F. Greiner • TU Darmstadt, FB Material- und GeowissenschaftenFachgebiet Disperse Feststoffe; Prof. R. Riedel, Dr. E. Ionescu • FH Wiesbaden, FB IngenieurwissenschaftenInstitut für Mikrotechnologien; Prof. F. Völklein • Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) DarmstadtBereich MaterialforschungProf. R. Neumann, Dr. C. Trautmann, Dr. Th. Cornelius • Assoziierter Partner: • arteos GmbH (Seligenstadt); W. Korb; 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 2

  3. Gesamtziele des Projekts • Grundsätzliche Vorgehensweise zum Montieren und Packaging runder Nanokomponenten (wie Nanodrähte) entwickeln • Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) mit strukturierbaren, nanopartikulär gefüllten Materialsystemen zu neuen Funktionalitäten führen • Direkte Strukturierung von Mikrobauteilen mit definierten physikalischen Eigenschaften durch Nanokomposite • Wissenschaftliche Machbarkeit eines Mikro-Nano-Gassensors für spätere industrielle Herstellung zeigen 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 3

  4. Projekt INANOMIK DF Partner im Projekt INANOMIK x 0,1 GSI Materialforschung: Nano-Drähte aus mono- oder polykristallinem Bi bzw. Au arteos GmbH: Anwendung im Gassensor, 10x kleiner als aktueller Aufbau FHW IMtech: Fügen und AVT der Nano-Drähte, Kontaktieren TUD Disperse Feststoffe: Herstellung von mikrostrukturierbaren SU-8 basierten Nanokompositen TUD Institut EMK: 3D-Package aus Nanokompositen (funktionalisiertem Photoresist) 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 4

  5. Prozessablauf zur Herstellung metallischer Nanodrähte (Templat-Methode) Schwerionenbestrahlung  latente Spuren 1 Ätzung latenter Spuren  Nanoporen 2 Aufbringen einer leitfähigen Schicht 3 Elektrochemische Abscheidung  Nanodrähte 4 Nanoporen gefüllt  Kappenwachstum 5 Auflösen der Polymermatrix  freistehende Nanodrähte 6 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 5

  6. Herstellung von metallischen Nanodrähten Elektrochemische Abscheidung metallischer Nanodrähte in geätzten Ionenspur-Membranen Geätzte Ionenspur-Membran Freistehende Nanodrähte 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 6

  7. Einfluss klassischer Größeneffekte auf den spezifischen elektrischen Widerstand Messungen an einzelnen eingebetteten Gold-Nanodrähten Erhöhter spezifischer elektrischer Widerstand aufgrund zusätzlicher Elektronenstreuung an Korngrenzen Anstieg des spezifischen elektrischen Widerstandes für d < 100 nm aufgrund zusätzlicher Elektronenstreuung an Drahtoberfläche 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 7

  8. Kontaktierung von NanodrähtenDirektkontaktierung mit Lift-off-Prozess SiO2 Schicht Nanodraht Aufbringen der Nanodrähte auf einem Si/SiO2 - Wafer Si - Wafer Lithographie-Maske Resist aufschleudern und mit UV belichten Photoresist Entwickeln des Resists und Aufdampfen einer metallischen Schicht Lift-off Prozess 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 8

  9. Kontaktierung von NanodrähtenE-Beam-Direktschreiben Verfahren erfolgreich erprobt • Precursor: • Trimethyl-Methyl-Cyclopentadienyl-Platin • Marker 3 µm x 3 µm x 0,1 µm gesetzt mittels EBID bei 5 kV und 0,4 nA • Vor-Pad 10 µm x 10 µm x 0.1 µm gesetzt mittels IBID bei 30 kV und 50 pA • Haupt-Pad 100 µm x 100 µm x 0.1 µm gesetzt mittels IBID bei 30 kV und 5 nA • Zusammensetzung des Haupt-Pads (EDX Analyse) • C 59,1% • Ga 16,1% • Pt 24,9% 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 9

  10. RIE Kammer Metall- schicht Plasma Nanodraht SiO2 Schicht RF Netzteil (13.56 MHz) Si - Wafer Vakuumpumpe Reaktives Ionen Ätzen zur Präparation freitragender Nanodrähte • Optimierung der RIE-Parameter: • Ätzgas: SF6 bzw. CF4 • Biasspannung: Reduzierung der Biasspannung verbessert Unterätzung • Einwirkung der Ätzgase auf Nanodraht-Eigenschaften? 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 10

  11. Messung Temperaturkoeffizient(Gleichspannung) 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 11

  12. Herstellung von Polymer/Keramik-Kompositen auf der Basis von Negeativ-Resist SU-8 Prozessablauf • Lösen von SU-8 in Ethylacetat bzw. Cyclopentanon • Zugeben von 5, 10, 15 bzw. 20 Vol.-% Füllstoff zu SU-8-Lösungen • Füllstoff mit Ultraschall dispergieren • Lösungsmittel entfernen (10-2 mbar, RT) → feste Materialien • Zugabe der Lösungsmittel → Einstellen der rheologischen Eigenschaften von Kompositen durch Zugabe kleiner Mengen Ethylacetat bzw. Cyclopentanon • Rheologische Untersuchungen 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 12

  13. Herstellung von Polymer/Keramik-Kompositen auf der Basis von Negeativ-Resist SU-8 Verwendete Füllstoffe 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 13

  14. Auswirkungen der Nano-Füllstoffe auf die rheologischen Eigenschaften der Komposite Zeitabhängige Messungen der komplexen Viskosität (Verdünnung Cyclopentanon) Durch gezielte Zugabe kleiner Lösungsmittel-mengen kann die dynamische Viskosität der Komposite genau eingestellt werden 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 14

  15. Auswirkungen der Nano-Füllstoffe auf die rheologischen Eigenschaften der Komposite Frequenzabhängige Messungen(Verdünnung Cyclopentanon) 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 15

  16. Auswirkungen der Nano-Füllstoffe auf die rheologischen Eigenschaften der Komposite Frequenzabhängige Messungen Die Komposite mit G‘/G‘‘-Kreuzpunktfrequenzen im Bereich von 10 bis 100 rad/s lassen sich sehr gut aufschleudern. Dies kann durch Zugabe von Lösungsmittel eingestellt werden. 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 16

  17. Montage und Fügen von NanodrähtenSelbstorganisation im 3D-Package • SU-8-Grabenstruktur mit zusätzlicher Lackschicht zur Unterstützung der Nanodraht-Selbstorganisation in abdampfendem Lösungsmittel • Wärmeableitung durch Polymer/Keramik-Komposit 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 17

  18. Untersuchte Materialsystemezur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit spherisch Al2O3 D = 13 nm TiO2 D = 21 nm UV-tiefenlithographisch strukturierte SU-8/Nanopulver-Komposite: a) 10 Vol.-% Al2O3, Dicke d = 200 µm, Aspektverhältnis AR = 1:2 b) 5 Vol.-% TiO2, d = 100 µm, AR = 1:1 c) 10 Vol.-% Diamant-Pulver, d = 200 µm, AR = 7:1 AlN D = 40 nm Diamant D = 700 nm Al2O3 15 Vol.-%: nicht photostrukturierbare, poröse Schicht 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 18

  19. Untersuchte Materialsysteme zur Erhöhung der thermischen und der elektrischen Leitfähigkeit Aspektverhältnis > 1 kleinere Füllgrade nötig MWCNTs D = 80 nm, L = 4 µm 3 Vol.-% CNT: Agglomeratbildung 3 Vol.-% CNT (AR 13:1) 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 19

  20. Montage und Fügen von NanodrähtenFolie mit Nanodrähten ausschneiden Schritt 1: Nanodrähte herstellen Schritt 2: mit Excimer-Laserschneiden Schritt 4: Drahtmodul vereinzeln Schritt 3: Nachgalvanisieren Schritt 7: Polymer entfernen Schritt 5: AVT vorbereiten Schritt 6: Drahtmodul fügen 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 20

  21. Feldunterstützte Positionierung von Nanodrähten auf Metallelektroden • Elektroden-abstand 20 µm • Aufbringen der Drähte gelöst in organischem Lösemittel auf die Struktur Ausgerichtete Nanodrähte (l 30 µm; d 200 nm; Urms = 35 V; f = 1 kHz); oben: Überlagerung mehrerer Drähte unten: Einzeldraht 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 21

  22. Zusammenfassung INANOMIKLaufzeit 01.05.2007 – 30.04.2008 • Herstellung, Montage und Kontaktierung von Nanodrähten demonstriert • Methode zur Synthese von Nanokompositen auf SU8-Basis demonstriert • Strukturierung von Nanokompositen für niedrige Füllgrade gezeigt • Gründung der Arbeitsgruppe Mikro-Nano-Integration im mst-Netzwerk Rhein-Main e.V. • Veröffentlichungen: • Nanofair, 11.-12.03.2008, Dresden: „Preparation and electrical/thermal characterization of nanowires and their application for gas flow sensors” • Nanofair, 11.-12.03.2008, Dresden:„Thermally Conductive SU-8-Composites using Ceramic Nano-Powders” • mst-Netzwerk Rhein-Main e.V., Jahrestagung 04.07.2007, Frankfurt:„Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von Nanodrähten für neuartige Sensoren“ • KATALYSE@SENSORIK, 01.10.2007: „Nanostrukturierte Materialien in Katalyse und Sensorik“ Industrie- und Hochschul-Kontakt-Workshop des Nanonetzwerks Hessen 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 22

  23. Ausblick INANOMIK • Arbeiten in der Restlaufzeit (nächste 1½ Monate) • Thermische Charakterisierung der Nano-Komposite • Prozessierung des Nano-Komposits mit Füllstoff Fe3(Co)12 optimieren • Handling und Fügen der Nano-Drähte im Polymerblock weiter erproben • Selbstausrichtung der Nano-Drähte im elektrischen Feld in geeigneter AVT-Struktur • Probleme bei Belichtung mit hoher Füllstoffkonzentration analysieren und Lösungen entwickeln • Sensoreigenschaften des Nano-Drahts untersuchen 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 23

  24. Ausblick MNI im mst-Netzwerk Rhein-Main • Derzeit laufende Förderprojekte … stellen verwandte Themen dar. • Ausnutzung von Synergien: • Anwendung Sensorik, insbesondere hochsensitive Gassensorik • Wachstum und strukturierter Einbau von 1D-Nanoelementen (Nanoröhren und –drähten) • Vorgehen: • Mehrere gemeinsame Projekttreffen → Fortsetzung der Forschungsarbeiten in einem gemeinsamen Projekt INANOMIK MNI-CNTs 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 24

  25. Projekt INANOMIK DF Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 14. Mär. 2008 | Abschluss MNI | Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak | 25

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