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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Technische Physik - Halbleiterphysik, Nanostrukturierung & Analytik  → Dissertationen 

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http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2129

Titel: Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser
Autor(en): Müller-Wiegand, Michael
Schlagworte (SWD): MehrschichtsystemGlasStrukturbildung
Klassifikation (DDC): 530 - Physik (Physics)
Erscheinungsdatum: 3-Mär-2005
Zusammenfassung: Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.The major aims of this work are the development of a theoretical model describing the self-patterning process in sandwiched organic/inorganic layer systems and the proof of the validity of this model by experimental examination of the phenomenon. Conventional techniques for the definition of sub 100 nm structures underlie physical limitations, e.g. optical diffraction limit in optical lithography methods. Therefore large interest arose in the field of selforganizing systems, because they offer the possibility to realise small structures even on the nanometer scale. To take advantage of selforganizing techniques a deeper understanding of the structuring process is imperative. This is also necessary to avoid instabilities of layered systems preventing degradation of technological components. The development of a theoretical model of the self assembling mechanism based on the theory of elasticity is the basis of understanding the origin of the structures in sandwiched systems. The described method is capable to describe the relationship between periodicity and thickness of the layers, which is in good agreement to experimental results. The theoretical results indicate, that it is possible to define the periodicity of the resulting structures by varying the thickness of the layers. Furthermore the model gives a stability condition that enables us to determine the dominant mode of the system on the time scale. Experimentally the structuring process was investigated using a test system. The latter was realised coating a glass substrate with an organic material; a so called molecular glass; and an additional thin silicon-nitride layer. These samples with varying layer thickness were heated. As soon as the temperature reaches the glass transition temperature of the organic compound, structuring caused by stress relaxation sets in. Depending on the heat source different structures can be obtained. Utilising a laser that serves as a circular heat source with Gaussian heat distribution concentric structures occur. A hot plate, i.e. a plane and homogeneous heat source, on the other hand leads to randomly oriented periodic structures. Striking at all samples was the large modulation of the surfaces. In this way samples with a periodicity in the range of 200nm up to several µm by variation of the layer thickness can be realised. Furthermore it is shown, that it is possible to manipulate the orientation of the periodic structures in a desired way by changing the stress distribution inside the layered system directly. The control of both the periodicity and the orientation of the structures is necessary for any technological application to realise micro-/nanostructures in future. A concept of an active probe for Scanning-Nearfield-Optical-Microscopy was additionally introduced making use of the above described double layer systems, consisting of a fluorescent molecular glass and a silicon-nitride layer. First theoretical and experimental results proof the technological potential of this type of probe.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2129
Sammlung(en):Dissertationen

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