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Eigenschaften und Anwendungen von Dünnschicht-Elektretmaterialien

Emmerich, Florian (2020):
Eigenschaften und Anwendungen von Dünnschicht-Elektretmaterialien.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00012056,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Eigenschaften und Anwendungen von Dünnschicht-Elektretmaterialien
Language: German
Abstract:

Miniaturisierung ist der Motor, der die beinahe unvorstellbare Entwicklung der Elektronik seit nun mehr als 50 Jahren antreibt. Begonnen mit der Erfindung des Transistors wurde die Miniaturisierung von Bauelementen das Zugpferd für die Erfüllung des Mooreschen Gesetzes, welches bis heute Bestand hat. Dies war jedoch nur möglich, da elektrostatische Größen so skalieren, dass deren volumenbezogene Leistungsdichte mit jeder weiteren Miniaturisierung wächst. Durch diesen Skalierungsvorteil wurden neuartige Technologien wie kapazitive Mikrofone oder Flash-Speicher entwickelt, die sich elektrostatische Prinzipien zunutze machen. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Arbeit mit der Skalierung elektrostatischer Materialien, die auch unter dem Begriff „Elektrete“ bekannt sind. Schwerpunkt liegt dabei auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften, die sich bei der Miniaturisierung ergeben und dadurch Vorteile in verschiedenen Anwendungsbereichen bieten. So werden drei unterschiedliche Größenordnungsbereiche untersucht: nano-skalige Materialien, nano-strukturierte Materialien und mikro-strukturierte Materialien.

Im ersten Anwendungsfeld wurden Untersuchungen an Mehrschicht-Elektretmaterialien durchgeführt, die aufgrund ihres Aufbaus für eine besonders gute Ladungsspeicherfähigkeit bekannt sind. Jedoch ist es mit herkömmlichen Methoden zur Charakterisierung von Elektretmaterialien nicht möglich, solche Mehrschichtsysteme mit Strukturgrößen im Bereich von wenigen 100 nm zu untersuchen. Um solche Mehrschichtsysteme besser verstehen zu können, wurde deshalb eine neue Methode entwickelt, die sich die hohe Auflösungsfähigkeit eines Raster-Kraft-Mikroskops zunutze macht. Dabei findet die Kelvin-Sonden-Kraft-Mikroskopie Anwendung, um elektrostatische Potenziale mit einer Auflösung von unter 100 nm zu messen. Die Fähigkeit der Methode, Informationen über die Position der gespeicherten Ladung im Material zu erhalten, konnte durch theoretische Betrachtungen sowie Finite-Elemente-Simulationen der Feldverteilung bestätigt werden. An einem durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung hergestellten Mehrschicht-Modellsystem wurden anschließend Messungen an Corona-geladenen Proben durchgeführt. Um ein tieferes Eindringen der Ladungen in das Mehrschichtsystem zu bewirken, wurden die Proben bei unterschiedlichen Temperaturen gelagert. Anschließend wurden erneut Messungen an den temperierten Proben durchgeführt, um eine Verschiebung der Ladung zu überprüfen. Durch Analyse der Feldverteilung in den jeweiligen Schichten konnte in Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen eine Bewegung der Ladung und somit des Ladungsschwerpunktes in Richtung der ersten Grenzschicht nachgewiesen werden. Somit ermöglicht diese neue Methode erstmals eine hochauflösende Untersuchung der Ladungsverteilung in nano-skaligen Mehrschichtelektreten und bietet sich als Ergänzung zu konventionellen Methoden an, die nicht in diesen Auflösungsbereich vordringen können. Durch den Einsatz von Messspitzen mit kleinerem Durchmesser sowie höherem Aspektverhältnis und elaborierter Algorithmen zur Signalentfaltung kann die Auflösung dieser Methode sogar noch in den Bereich von unter 50 nm gebracht werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Speicherstellen in Mehrschichtelektreten räumlich aufgelöst zu untersuchen, was für eine Optimierung der Ladungsspeichereigenschaften nützlich ist.

Der zweite Teil der Arbeit nutzt die hohe Auflösungsfähigkeit des Raster-Kraft-Mikroskops zur Herstellung elektrostatischer Nanostrukturen und leitet aus den gewonnenen Erkenntnissen neuartige Rapid-Prototyping-Anwendungen ab. Mit der Spitze eines Raster-Kraft-Mikroskops konnten positive und negative Ladungen lokal in dielektrische Dünnschichtmaterialien injiziert und anschließend mit der Kelvin-Sonden-Kraft-Mikroskopie sichtbar gemacht werden. Die so entstandenen elektrostatischen Nanostrukturen besitzen Größen ab 150 nm. Im sogenannten Nanoxerografie-Prozess wurden dann durch elektrostatische Anziehung ligandenfreie, negativ geladene Gold-Nanopartikel mit einer Partikelgröße von 2-10 nm abgeschieden, sodass Linienstrukturen mit einer minimalen Strukturbreite von 200 nm sowie großflächige Strukturen hergestellt werden konnten. Diese Strukturen bilden wiederum die Basis für zwei neuartige Strukturierungs-Prozesse zur Herstellung von polymeren und metallischen Nano- und Mikrostrukturen. Das erste Verfahren nutzt das geänderte thermische Zersetzungsverhalten von PMMA sobald dieses in Kontakt mit Nanopartikeln kommt. So können PMMA-Dünnschichten mit diesem Verfahren maskenlos und ohne den Einsatz von Reinraumtechnik im Mikrometerbereich strukturiert werden. Im Laboreinsatz kann diese Methode eine Alternative zur klassischen Fotolithografie darstellen. Im zweiten Verfahren werden lokal abgeschiedene Gold-Nanopartikel aufgeschmolzen, um leitfähige Nanostrukturen herzustellen. Da der Schmelzpunkt von nano-skaligen Partikeln weit unter dem von klassischen Festkörpern liegt, kann das Gold aufschmelzen, ohne die darunterliegende polymere Dünnschicht zu beschädigen. Beide Verfahren können durch den Einsatz von elektrischem Mikro- und Nanokontaktstempeln in größerem Maßstab für Strukturen von einigen 10 cm² eingesetzt werden. Somit eignen sich die präsentierten Technologien zur schnellen Herstellung von Nano- und Mikrostrukturen, ohne dass eine aufwendige Prozessierung oder kostenintensives Equipment notwendig ist.

Im dritten Anwendungsfeld wird die Miniaturisierung von sogenannten Piezoelektreten untersucht, welche für die Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrisch nutzbare Energie verwendet werden. Mit Hilfe von Piezoelektreten ist es möglich, die positiven Eigenschaften piezoelektrischer Keramiken auf polymere Materialien zu übertragen, ohne deren negative Eigenschaften wie teure Prozessierung und Brüchigkeit zu übernehmen. Um die volumenbezogene Leistungsdichte dieser Piezoelektrete zu erhöhen wurde erstmals die Miniaturisierung der Strukturgrößen dieser Materialien in den Mikrometerbereich theoretisch und anwendungsbezogen untersucht. Eine theoretische Betrachtung der zu erwartenden Eigenschaften zeigte, dass sowohl für bipolare als auch für unipolare Modellsysteme die Leistungsfähigkeit als Sensorelement mit kleineren Strukturgrößen zunimmt. Da die etablierten Fertigungsverfahren jedoch nicht in der Lage sind, auf einfache Weise laterale Strukturgrößen unter 500 µm sowie vertikale Strukturgrößen unter 100 µm herzustellen, wurde ein Mikro-System-Technik-basierter Ansatz zur Herstellung von mikro-strukturierten Piezoelektreten entwickelt. Durch die Weiterentwicklung des etablierten Thermoforming-Verfahrens konnten alle Strukturgrößen der Piezoelektrete, sowohl vertikal als auch lateral, mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern hergestellt werden. Dafür wurden die Vorlagen für das Thermoformen, auch Master genannt, aus einem bis zu 250 µm dicken Fotolack hergestellt. Das thermische Verschweißen der Folien, welches aufgrund der hohen Temperaturen den Fotolack-Master beschädigen könnte, wurde durch alternative Prozesse wie integrierte Mikro-Heizer oder einen neuartigen Laser-Schweiß-Prozess ersetzt. Die Charakterisierung der miniaturisierten Piezoelektrete hinsichtlich ihrer d_33-Koeffizienten, ihres Frequenzverhaltens und ihrer Leistungsausbeute zeigte deutlich verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu makroskopischen Systemen. Somit stellt sich die Miniaturisierung im Hinblick auf einen industriellen Einsatz als doppelter Vorteil heraus, da sie sowohl einen geringeren Volumenverbrauch als auch eine erhöhte volumenbezogene Leistungsdichte mit sich bringt. Dies prädestiniert diese Technologie für den Einsatz in mobilen Anwendungen. Zusammengefasst wurden in dieser Arbeit mehrere Technologien auf Grundlage der Miniaturisierung von elektrostatischen Systemen entwickelt, um dadurch bestehende Verfahren bzw. Prozesse zu erweitern oder zu verbessern. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die vorgestellten Verfahren neue Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen sowie weitere Anknüpfungspunkte zur Optimierung und den zukünftigen Einsatz von Elektretmaterialien bieten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Miniaturization has been the engine driving the almost unimaginable development of electronics throughout the last 50 years. Starting with the invention of the first transistor, miniaturization of components has become the driving force fulfilling Moore's Law, which is still valid today. All this has only been possible due to the fact that electrostatic forces scale down in a way that miniaturization increases the volume-related power-density. This has led to the development of novel technologies, such as capacitive microphones or flash memories, utilizing electrostatic principles. In this context, this work deals with the scaling of electrostatic materials, also known as electrets. Emphasis is placed on the electrical properties resulting from the miniaturization of the materials with respect to several fields of application. Three different orders of magnitude are investigated: nano-scale materials, nano-structured materials and micro-structured materials. First, investigations were carried out on multilayer electret materials which are known for particularly good charge storage capability due to their internal structure. However, conventional methods for characterizing electret materials do not allow for studying such multilayer systems with feature sizes in the range of a few 100 nm. In order to better understand such multi-layer systems, a new method was developed utilizing the high-resolution of an atomic-force-microscope. Kelvin-probe-force-microscopy was used to visualize electrostatic potentials with a resolution of less than 100 nm. The ability of the instrument to obtain information about the position of the stored charge inside the material was confirmed by theoretical considerations as well as finite-element-simulations of the field distribution. Subsequent measurements on corona-charged samples were carried out on a multilayer model system produced by means of plasma-assisted vapor deposition. To initiate a movement of the charge inside the multilayer system, the samples were stored at different temperatures. Subsequently, measurements were again carried out on the tempered samples in order to observe a movement of the charge. By analyzing the field distribution in the respective layers, a movement of the charge and thus a movement of the charge-centroid in the direction of the first interface could be detected in accordance with simulation results. Thus, this new method allows for a high-resolution investigation of the charge distribution in nano-scale multilayer electrets for the first time and is a valuable addition to conventional methods. Using smaller diameter and higher aspect-ratio probes and sophisticated algorithms for signal deconvolution the resolution of this method can even be reduced to less than 50 nm . Such improvement would even allow for spatially determining the position of stored charges in multilayer electrets, which is highly beneficial for optimizing their charge storage characteristics. The second part of this work uses the high-resolution capability of the atomic force microscope to produce electrostatic nanostructures that are subsequently used to derive two novel rapid-prototyping approaches. With the tip of the atomic-force-microscope, positive and negative charges were locally injected into dielectric thin film materials and then visualized using Kelvin-probe-force-microscopy. These generated electrostatic nanostructures have sizes starting from 150 nm. In the so-called nanoxerography process, ligand-free, negatively-charged gold nanoparticles with a particle size of 2-10 nm were deposited by means of electrostatic attraction, producing line structures with a minimum structure width of 200 nm or large-area structures of several µm ². These structures in turn form the basis of two novel structuring processes for the production of polymeric and metallic nano- and microstructures. The first method utilizes the altered thermal decomposition behavior of PMMA, when being in contact with nanoparticles. PMMA thin films can thus be patterned maskless and without the use of clean room technology with sizes in the micrometer range. In a laboratory this could be an alternative to classical photolithography. In the second method, locally deposited gold nanoparticles were melted to produce conductive nanostructures. Since the melting point of nano-scale particles is far below that of classical solids, the gold can be melted without damaging the underlying polymeric thin film. Both methods can be used on a larger scale by using micro- and nano-contact-stamping for structures of a few 10 cm². Thus, the presented technologies are suitable for the rapid production of nano- and microstructures, without the need for elaborate processing or expensive equipment. Third, the miniaturization of so-called piezoelectrets was investigated, which are used for the conversion of mechanical kinetic energy into electric power. By using piezoelectrets it is possible to transfer the positive properties of piezoelectric ceramics to polymeric materials without adopting their negative properties, such as expensive processing and brittleness. In order to increase the volume-related power-density of these piezoelectrets, the miniaturization of the structures of these materials into the micrometer range was investigated both theoretically and application-related for the first time. Theoretical analysis of the expected properties using a bipolar and a unipolar model system showed that the performance as a sensor element with smaller feature sizes increases in both cases. However, since the researched fabrication methods are not able to easily produce lateral structures below 500 µm and vertical structures below 100 µm, a micro-system technology-based approach for the fabrication of microstructured piezoelectrets has been developed. Through further development of the established thermoforming process, all structure sizes of the piezoelectret, both vertically and laterally, could be produced with an accuracy of a few micrometers. For this purpose, the templates for thermoforming, also called master, were produced using a photoresist of up to 250 µm thickness. Thermal bonding of the FEP-layers, which could damage the photoresist master, was replaced by alternative processes such as integrated micro-heaters or a novel laser-bonding process. The characterization of the miniaturized piezoelectrets with respect to d_33-coefficients, frequency response and power-yield showed significantly improved properties compared to macroscopic systems. Thus, miniaturization proves to be a double advantage in terms of industrial use as it offers both lower volume consumption and increased volume-related power density. This predestines this technology for use in mobile applications. In summary, several technologies based on the miniaturization of electrostatic systems have been developed in this work in order to extend or improve existing processes. The results of the work show that the presented methods offer new possibilities for future applications as well as alternative starting points for optimization and future use of electret materials.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 06 Aug 2020 12:05
Last Modified: 06 Aug 2020 13:25
DOI: 10.25534/tuprints-00012056
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-120568
Referees: Sessler, Prof. Dr. Gerhard M. and Kupnik, Prof. Dr. Mario and Thielemann, Prof. Dr. Christiane
Refereed: 6 May 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/12056
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