Handhabung auf der Nanoskala: Graphen

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1 Handhabung auf der Nanoskala: Graphen Sören Zimmermann, Albert Sill 1

2 Motivation Handhabung, Charakterisierung und Montage von nanoskaligen Objekten - - eine der Hauptfragestellungen der Nanotechnologie Schließen der Lücke zwischen top-down und bottom-up Ansatz durch nanorobotische Manipulation Nanorobotische Manipulation Bottom-Up (Selbstorganisation) Top-Down (Mikrotechniken) 1Å 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm Atom C 60 fullerene SWCNT MWCNT Bacteria cells Red blood cells MEMS Human hair 2

3 Vision: Graphen- & CNT-basierte Transistoren & Verbindungen Die anhaltende Miniaturisierung von integrierten Schaltungen erreicht die Grenzen: Strukturen für Kupferverbindungen lassen sich nicht sehr viel weiter verkleinern Die Verlustleistungen durch Dissipation werden immer größer 3

4 Vision: Graphen- & CNT-basierte Transistoren & Verbindungen Kupferleitung 3-D Design integrierter Schaltkreis SWCNT Bundle (VIA) Graphen FET Kohlenstoff-basierte Nanomaterialien wie Graphen und Bündel von SWCNTs sind vielversprechende Kandidaten als Ersatz für klassische Materialien 4

5 Ziel und Herausforderungen Langfristig: direkte Integration von Kohlenstoffmaterialien durch CVD-basiertes Aufwachsen. Kompatibilität mit derzeitiger Mikrofertigung Dies erfordert: Genaue Kenntnisse der Materialeigenschaften Optimierung der CVD-basierten Herstellung Realisation und Test von Prototypen Flaschenhals: Handhabung und Charakterisierung 5

6 Handhabung und Strukturierung von Graphen Ziel: Entwicklung eines kombinierten Systems AFM/STM/HRSEM/FIB: AFM-basierte Manipulation von Graphen Hybride Charakterisierung von Graphen Strukturierung von Graphen Verlässlicher und systematischer nanorobotischer Abtrag von Graphen Prototyping von Graphen-basierten Bauteilen 6

7 Graphen ein neues Wunder-Material? Einzigartige elektrische und mechanische Eigenschaften Elektrische Leitfähigkeit >> Kupfer Thermische Leitfähigkeit >> Kupfer Zugfestigkeit >> Stahl Potentielle Anwendungsfelder Nanoelektronik Energiespeicher Komposite Aber: Es fehlt an Handhabungsstrategien für 2D Materialien Nanorobotische Handhabung könnte ein vielversprechender Ansatz sein 7

8 Graphen ein neues Wunder-Material? Eigenschaft von Graphen (bei Zimmertemperatur): Schichtdicke 3, m Flächenmasse: 7, kg m 2 => 1m 2 (Hängematte) wiegt 0,77mg, aber trägt 4kg E-Modul: ca GPa => ähnlich Diamant Zugfestigkeit: 1, Pa => höchste je gemessen Schwächung von sichtbarem Licht 2,3% (viel für eine Monolage), über das gesamte Spektrum, also transparent Undurchlässig für Gase aber Durchlässig für Wasser 8

9 Großflächiges Graphen: CVD - Synthese Aufwachsen Transfer Graphen-Wachstum des von Graphens durch Abscheidung aus der Gasphase Bsp.: Beschichtung Ni Substrat (chemical mit einer vapour deposition, Hilfs-Schicht, CVD) z.b. Heizen PMMA (1000 C) Übliche Nass-ätzen Substrate: des Ni-films (Salzsäure) Überdampfen mit einer Mono-kristallines Aufgreifen Mischungen des von mit PMMA Co, Kohlenwasserstoffgasen beschichteten Pt, Ir, Ru Graphens und transfer zum Ziel- Poly-kristallines Substrat Lösung von Kohlenstoff im Ni, Ni Cu Auflösen Substrat des PMMA mit Azeton kühlen fertig Kohlenstoff-Atome lagern sich als Graphenschicht ab 9

10 Graphen Gitter nanorobotische Handhabung Graphen kann auf vorgegebene Gitter übertragen werden freie Graphen-Membranen Zugänglich für nanorobotische Werkzeuge: AFM cantilever, STM Spitzen Zusammenwirken von REM, FIB, GIS und einem nanorobotischen Aufbau eröffnet verschiedene Manipulationsmöglichkeiten 10

11 TC-ANH Pick- n-place Handhabung von Graphen-Membranen Gezielte Pick- n-place Handhabung von ausgewählten Graphen Membranen auf beliebige Substrate mit hoher Genauigkeit Fernziel: Montage von Graphen-basierten NEMS 11

12 Nanorobotische Charakterisierung von Graphen Nanoindentation von Graphen- Membranen mit einem AFM cantilever Bestimmung mechanischer Eigenschaften 12

13 Beobachtung von Indentationsmessungen Direkte Beobachtung von Indentationen In-situ Bewertung 13

14 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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