Katharina Lilienthal. Nanostrukturierte SiC>2-Gläser für die Mikrotechnik und Biosensorik

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Greta Holst
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1 Katharina Lilienthal Nanostrukturierte SiC>2-Gläser für die Mikrotechnik und Biosensorik IS fi 2014

2 I Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis V IX 1. Einführung, Motivation und Ziele 1 1. Vorbetrachtungen und Methoden 2. Oberflächenfunktionalisierung für die Biosensorik und Mikrotechnik Funktionalisierung in der Sensorik über die Sol-Gel-Route Prinzipien ionenselektiver und -sensitiver Sensoren für die biomedizinische Analyse AlGaN/GaN-Sensorik in der bisherigen Anwendung Anwendungspotentiale durch ionenselektive Membranen Funktionalisierung von AlGaN/GaN-Sensoren durch selbstörganisierte Poren über Sol-Gele Fazit: Innovative AlGaN/GaN-Sensoren mit ionenselektiven Si02-Nanoporen Funktionalisierung in der Mikrotechnik durch Nano-Strukturierung Selbstorganisierte Nanostrukturierung von Synthetic Fused Silica Einordnung des selbstorganisierten Gias Gras-Prozesses in Mikro- und Nanotechnologien Verwendete Materialien und Verfahren Der Glas-Zustand Die Sol-Gel-Synthese Hydrolyse und Kondensation Gelbildung und Alterung Trocknung und Temperung Herstellung dünner Schichten aus dem Sol Zusammenfassung: Parameter bei der Herstellung von dünnen Sol-Gel-Beschichtungen Chemische und thermische Beständigkeit von Glas-Membranen in Lösungen Versuchsplanung mittels Kombinatorik und DOE Kieselglas und Synthetic Fused Silica 78

3 II 3.4. Plasmachemische Strukturierung zur Erzeugung von Glas Gras Das RIE-Plasmaverfahren Das DRIE-ICP-Plasmaverfahren Charakterisierung der porösen Sol-Gel-Beschichtungen und Synthetic Fused Siiica-Oberfiächen Porenbestimmung über Ellipsometrie Bildgebende Verfahren: optische Mikroskopie, REM, AFM Stoffliche und strukturelle Analyse: AES, XPS, XRD Elektrische Größen: Impedanzspektroskopie, CU-Messung Substratreinigung für die Mikro- und Nanotechnologie 96 II. Sol-Gele - Herstellung, Charakterisierung und Anwendungen 4. Selbstorganisierte Sol-Gel-Porenstrukturen Sol-Gel-Synthese und Versuchsablauf Schichtherstellung mittels Spin-Coating Visuelle Eigenschaften und chemische Zusammensetzung Charakteristische Oberflächenmorphologien bei Variation der Sol-Parameter Erzielte Variationen des Brechungsindex n Zusammenfassung: Poröse Sol-Gele via Spin-Coating Schichtherstellung mittels Dip-Coating Einfluß der Reinigung der Substrate Fazit und Zusammenfassung der Sol-Gel-Herstellung Sol-Gele als Funktionalisierung in der Biosensorik Querempfindlichkeit von AlGaN/GaN-Sensoren Integration der Sol-Gel-Schichten in die Sensor-Herstellung Vom Oberfiächeneffekt zur additiven Membran - Funktionalisierung der Sensoren mit Polymermembranen Funktionalisierung von AlGaN/GaN-Sensoren mit Sol-Gelen Impedanzspektroskopie an Sol-Gelen an Luft (MOS) Impedanzspektroskopie an Sol-Gelen mit Elektrolyt (EIS) Impedanzspektroskopie an Sol-Gelen mit Elektrolyt auf AlGaN/GaN-Sensoren (EIHS) Sol-Gele als Passivierung der elektrischen Kontakte Biokompatibilität der hergestellten Sol-Gel-Schichten Fazit, Zusammenfassung und Ausblick für Anwendungen poröser Sol-Gele in der Biosensorik 164

4 Ill III. Glas Gras - Technologie, Einflüsse und Anwendungen 6. Selbstorganisierte Erzeugung von Glas Gras Verwendete Plasmaanlagen und Fluorchemie Vorstellung der Plasmaätzanlagen Mechanismen der verwendeten Fluorchemie Die Erzeugung von Glas Gras Einfluß von Passivierungsschritten und Atzdauer Einfluß von platen- und coil-leistung Einfluß von Prozeß-Druck und Flußraten in der DRIE-ICP Zusammenfassung Glas Gras der DRIE-ICP Machbarkeit in der STS RIE-Anlage Untersuchung der Bildung von Glas Gras auf weiteren Siliziumoxiden Einfluß des Tragwafer-Materials auf die Nadel-Morphologie Einfluß der Reinigung der Substrate Selbstorganisierte Glas Gras-Entstehung aus der Kombination verschiedener Plasma- und Material-Effekte Fazit und Zusammenfassung zur Glas Gras-Erzeugung Glas Gras in Kieselglas als Funktionalisierung für die Mikrotechnik Innovative Aufbau- und Verbindungstechnik mit Glas Gras Verbindung von Glas mit Polymeren Verbindung von Glas mit Keramiken Verbindung von Glas mit Glas und Silizium Material-hybride Mikrosysteme über Verbindungstechniken mit Glas Gras Weitere Perspektiven für die Anwendung von Glas Gras Zusammenfassung und Ausblick 215 Literaturverzeichnis 221 Anhang A. Ergänzende Tabellen und Berechnungen 249 A.l. Ergänzung zu potentiometrischen Messungen 249 A.2. Ionenselektivität über geometrisch siebende Effekte, Ionendurchmesser der Elemente 253 A.3. Porenerzeugung in Sol-Gelen über Additive 255 A.4. Herstellung dünner Schichten aus dem Sol 257

5 IV A.5. Ausgewählte Chaxakterisierungsmethoden verschiedener Stadien des Sol-Gel-Prozesses sowie Kieselglases 259 A.6. Polarisation - Ergänzung zu Kap A.7. Berechnung der Volumenanteile zur Sol-Synthese 265 A.8. Impedanz- und CU-Messungen: Verwendete Pufferlösungen A.9. Kenndaten von Gläsern und Silizium 269 Verzeichnis der eigenen Veröffentlichungen 270

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