INANOMIK

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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
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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 GeowissenschaftenF
  achgebiet 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

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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

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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)
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Prozessablauf zur Herstellung metallischer
Nanodrähte (Templat-Methode)
Schwerionenbestrahlung ? latente Spuren
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Ätzung latenter Spuren ? Nanoporen
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Aufbringen einer leitfähigen Schicht
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Elektrochemische Abscheidung ? Nanodrähte
4
Nanoporen gefüllt ? Kappenwachstum
5
Auflösen der Polymermatrix ? freistehende
Nanodrähte
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Herstellung von metallischen Nanodrähten

• Elektrochemische Abscheidung metallischer
  Nanodrähte in geätzten Ionenspur-Membranen

Geätzte Ionenspur-Membran
Freistehende Nanodrähte
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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 lt 100 nm
aufgrund zusätzlicher Elektronenstreuung an
Drahtoberfläche
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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
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Kontaktierung von NanodrähtenE-Beam-Direktschreib
en
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

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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
  ?

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Messung Temperaturkoeffizient(Gleichspannung)
?Mess 10-3/K ?Bulk 10-3/K
2,34 3,9
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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

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Herstellung von Polymer/Keramik-Kompositen auf
der Basis von Negeativ-Resist SU-8

• Verwendete Füllstoffe

Pulver Partikelgröße in nm Dichte in g/cm3 Thermische Leitfähigkeit ?in W/mK
Al2O3 13 3,94 18-30
AlN 40 3,26 180
TiO2 21 3,50 11,7
TiO2 14 3,70 11,7
TiO2 21 3,80 11,7
Diamant 700 3,25 gt 2000
CNTs Durchmesser 80 nm Länge 4000 nm 1,7 gt 2000
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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
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Auswirkungen der Nano-Füllstoffe auf die
rheologischen Eigenschaften der Komposite
Frequenzabhängige Messungen(Verdünnung
Cyclopentanon)
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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.
SU 8-Komposit G/G-Kreuzpunkt in rad/s
SU 8 neat 10
Al2O3 5 v 100
Al2O3 10 v 63
Al2O3 15 v -
AlN 5 v 40
AlN 10 v 63
AlN 15 v 40
TiO2 3.5 g/cc 10 v 10
TiO2 3.7 g/cc 10 v 40
TiO2 3.8 g/cc 10 v 25
TiO2 3.5 g/cc 15 v 0.3
SU 8-Komposit G/G-Kreuzpunkt in rad/s
Diamant 5 v 100
Diamant 10 v 63
Diamant 15 v 25
Diamant 20 v 25
CNT 0.5 v 63
CNT 1 v 63
CNT 2 v 10
CNT 3 v -
CNT 15 w -
Fe3(CO)12 1 w 63
Fe3(CO)12 2 w 63
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Montage und Fügen von NanodrähtenSelbstorganisati
on im 3D-Package

• SU-8-Grabenstruktur mit zusätzlicher Lackschicht
  zur Unterstützung der Nanodraht-Selbstorganisation
  in abdampfendem Lösungsmittel
• Wärmeableitung durch Polymer/Keramik-Komposit

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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 12 b)
5 Vol.- TiO2, d 100 µm, AR 11 c) 10 Vol.-
Diamant-Pulver, d 200 µm, AR 71
AlN D 40 nm
Diamant D 700 nm
Al2O3 15 Vol.- nicht photostrukturierbare,
poröse Schicht
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Untersuchte Materialsysteme zur Erhöhung der
thermischen und der elektrischen Leitfähigkeit

• Aspektverhältnis gt 1
• kleinere Füllgrade nötig

MWCNTs D 80 nm, L 4 µm
3 Vol.- CNT Agglomeratbildung
3 Vol.- CNT (AR 131)
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Montage und Fügen von NanodrähtenFolie mit
Nanodrähten ausschneiden
Schritt 2 mit Excimer-Laserschneiden
Schritt 1 Nanodrähte herstellen
Schritt 4 Drahtmodul vereinzeln
Schritt 3 Nachgalvanisieren
Schritt 7 Polymer entfernen
Schritt 5 AVT vorbereiten
Schritt 6 Drahtmodul fügen
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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
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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, DresdenThermally
  Conductive SU-8-Composites using Ceramic
  Nano-Powders
• mst-Netzwerk Rhein-Main e.V., Jahrestagung
  04.07.2007, FrankfurtHerstellung,
  Charakterisierung und Anwendung von Nanodrähten
  für neuartige Sensoren
• KATALYSE_at_SENSORIK, 01.10.2007 Nanostrukturierte
  Materialien in Katalyse und Sensorik
  Industrie- und Hochschul-Kontakt-Workshop des
  Nanonetzwerks Hessen

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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

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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

MNI-CNTs
INANOMIK
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!