Entwicklung eines Depositionssystems zur AFM-gestützten Positionierung von Nanopartikeln

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Kurzbeschreibung

Zielsetzung dieser Arbeit war die Entwicklung eines Systems zur Gasphasen-Synthese von halbleitenden Nanopartikeln, deren in line Größenselektion und Deposition, mit dem die Nanopartikel mit einer räumlichen Auflösung im Nanometer-Bereich zur Herstellung von funktionalen elektrischen Bauelementen positioniert werden können. Das Gesamtsystem besteht aus einem Nanopartikel-Reaktor zur Herstellung von Silizium-Nanopartikeln in einem mikrowelleninduzierten Niederdruck-Plasma, einem Partikelmassenspektrometer (PMS) zur Molekularstrahlprobennahme und Messung der Partikelgrößenverteilung, einem Strahlumlenkungssystem zur Ablenkung des mit Partikeln beladenen Molekularstrahls um 90° und einer Depositionskammer, in der Ionen und später auch Nanopartikel durch eine durchbohrte AFM-Spitze hindurch auf ein Substrat deponiert werden können. In Hinblick auf die Herstellung elektrischer Bauelemente auf Nanopartikel-Basis wurden zunächst kompaktierte Nanopartikel-Pulver untersucht, deren mechanische und elektrische Eigenschaften mit denen von Schichten vergleichbar sind, die im Molekularstrahl deponiert werden können. Dazu wurde mittels einer hydraulischen Presse eine uniaxiale Kraft auf das Pulver ausgeübt und Widerstands-, Porositäts-, Kapazitäts- und Strom-Spannungs-Messungen durchgeführt.

Der elektrischeWiderstand R besitzt eine kraftabhängige Komponente R(F) (∂ R/∂ F < 0) und eine zeitabhängige Komponente R(t) (∂ R/∂ t > 0), wobei die Ausprägung der Zeitabhängigkeit deutlich mit sinkender Partikelgröße zunimmt.

Zunächst wurde das räumliche Partikelnetzwerk durch Abstandsmessungen während des Kompaktierens und ex situ Porositätsmessungen untersucht. Die Kompaktierung des Pulvers findet dabei unterhalb einer Kraft von 50kN statt und die Porosität ändert sich im Kraft-Bereich von 50 bis 80kN nicht mehr wesentlich.

Die relativen Änderungen des elektrischen Widerstands vom Beginn bis zum Ende der Messungen bei konstanter Kraft liegen im Bereich von ca. 90 bis 520% und steigen proportional zur Partikelgröße. Das kapazitive Verhalten wurde durch den zeitabhängigen Stromverlauf beim Aufprägen einer konstanten Spannung untersucht. Die Probenkapazitäten entsprechen der Größenordnung der Partikelanzahl in der Probe, wenn jedes Partikel eine Ladung aufnehmen kann. Strom-Spannungs-Kennlinien zeigen ein weitgehend lineares Verhalten, wobei mit sinkender Partikelgröße eine zunehmende Hysterese des Stroms auftritt. Die Zeitabhängigkeit des elektrischen Widerstands und das kapazitive Verhalten lassen sich durch einen Ladungstransport erklären, der von einem raumladungsbegrenzten Strom („space charge limited current“, SCLC) dominiert wird.

Der elektrische Pulverwiderstand hängt exponentiell vom Alter des Pulvers seit seiner Herstellung ab und steigt über die Dauer von mehreren Jahren um zwei bis drei Größenordnungen. Die Lagerung des Pulvers an Luft und die Atmosphäre während des Pressens bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstands um ca. eine Größenordnung. Der Widerstand wird maßgeblich von den Eigenschaften der Partikelgrenzflächen bestimmt und reagiert sensitiv auf eine reduzierende oder oxidierende Umgebung.

Den größten Einfluss aller untersuchter Parameter bei konstanter Kraft auf den Pulverwiderstand besitzt die mittleren Partikelgröße, die über ein Potenzgesetz mit einem negativen Exponenten mit dem Widerstand in Beziehung steht.

Für diese Arbeit wurde ein Nanopartikel-Reaktor mit angeschlossenem PMS komplett neu aufgebaut und durch die systematische Variation der Syntheseparameter erfolgreich getestet. Das Strahlumlenkungssystem wurde durch die in line Aufnahme einer Partikelgrößenverteilung erfolgreich getestet. Der Vorteil des verwendeten Elektronenvervielfachers ist, dass bereits wenige zehn Depositionsereignisse detektiert werden können, was für die Untersuchung der Partikeldeposition in der Depositionskammer notwendig ist.

Die Depositionskammer wurde anhand der Implantation von 15N+-Ionen durch eine durchbohrte AFM-Spitze hindurch in einen ultra-reinen Diamanten erfolgreich getestet. Das bisher erreichte laterale Auflösungsvermögen beträgt 25nm. Bisher liegen noch keine Ergebnisse für die Verwendung des Systems mit Nanopartikeln vor. Mit vorstrukurierten Si3N4-Membranen wurde im PMS untersucht, ob sich Si-Nanopartikel durch Strukturen hindurch deponieren lassen, die vergleichbare Geometrien besitzen wie die Löcher in den AFM-Spitzen. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass Nanopartikel durch 50nm tiefe Löcher mit ca. 114nm Durchmesser hindurch deponiert werden können.

Die Funktionstüchtigkeit der einzelnen Komponenten des Gesamtsystems konnte demonstriert werden. Es kann erwartet werden, dass die in line Positionierung von Nanopartikeln mit nm-Auflösung mit dem vollständig aufgebauten System erreicht werden kann.

Description

Aim of this work was the development of a system for the gas-phase synthesis of semiconducting nanoparticles, their in line size selection and deposition, by which the nanoparticles can be positioned with a spatial resolution in the nanometer regime to produce functional electric devices. The complete system consists of a nanoparticle reactor to produce Silicon nanoparticles in a microwave induced low pressure plasma, a particle mass spectrometer (PMS) for molecular beam extraction and to measure the particle size distribution, a beam bending system to deflect the particle laden molecular beam by 90° and a deposition chamber, in which ions an later also nanoparticles can be deposited through a pierced AFM tip onto a substrate.

In view of the production of electric devices on nanoparticle basis, compacted nanoparticle powders were examined, whose mechanical and electric properties are similar to those of films, which can be deposited in the molecular beam. For this, a uniaxial force was applied onto the powder by using a hydraulic press and resistance, porosity, capacity, and current-voltage measurements were performed.

The electric resistance R possesses a force-dependent component R(F) (∂ R/∂ F < 0) and a time-dependent component R(t) (∂ R/∂ t > 0), while the extent of the time dependence rises significantly with decreasing particle size.

First, the spatial particle network was characterized by distance measurements during compaction and ex situ porosity measurements. The compaction takes place below a force of 50kN and the porosity does not change significantly anymore in the force regime between 50 and 80kN.

The changes of the electric resistance from the beginning until the end of the measurements at constant force lie in the range of about 90 and 520% and rise proportional to the particle size. The capacitive behavior was examined by means of time-dependent current measurements while applying a constant voltage. The sample capacities correspond to the order of magnitude of particles within a sample, assuming that every particle can store a single charge carrier. Current-voltage characteristics show mostly linear behavior and a rising hysteresis of the current with decreasing particle size. The time dependence of the electric resistance and the capacitive behavior can be explained by a charge carrier mechanism, which is dominated by a space charge carrier limited current (SCLC).

The electric powder resistance depends on the age of the powder after its production by an exponential law and rises over the time period of several years by two to three orders of magnitude. The storage of the powder in air and the ambient conditions during the compaction lead to a change of the electric resistance by about one order of magnitude. The resistance depends significantly on the properties of the particle contacts and is sensitive on a reducing or oxidizing environment.

From all examined parameters at a constant force, the mean particle size has the largest impact on powder’s resistance and correlates with the resistance by a power law with a negative exponent.

For this work, a new nanoparticle reactor with attached PMS was built and tested successfully by the systematic variation of the synthesis parameters. The beam-bending system was successfully tested by the in line measurement of a particle size distribution. The advantage of the used electron multiplier is that already several tens of deposition incidents can be detected, which is necessary for the investigation of the deposition of particles in the deposition chamber.

The deposition chamber was successfully tested by implanting 15N+ ions through an AFM tip into ultra-pure diamond. A lateral resolution of 25nm was reached. Up to now, no results for the use of nanoparticles in the system are available.

By using pre-structured Si3N4 membranes, it was examined in the PMS whether Silicon nanoparticles can be deposited through structures comparable to the holes in the AFM tip. It was successfully shown that nanoparticles can be deposited through 50nm deep holes with a diameter of about 114nm.

The functionality of the individual components of the complete system was demonstrated. It can be assumed that the in line positioning of nanoparticles with nm-resolution can be achieved with the completely assembled system.